山東東營(yíng)黃河公路大橋荷載試驗(yàn)方案

/山東東營(yíng)黃河公路大橋荷載試驗(yàn)方案哈爾濱工業(yè)大學(xué)長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心二〇〇五年五月東營(yíng)黃河公路大橋荷載試驗(yàn)方案哈爾濱工業(yè)大學(xué)和長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心受山東省東營(yíng)黃河公路大橋工程建設(shè)項(xiàng)目辦公室和山東省交通建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督站的委托，對(duì)東營(yíng)黃河公路大橋主橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，檢測(cè)內(nèi)容主要是連續(xù)剛構(gòu)橋的靜載和動(dòng)載試驗(yàn)?，F(xiàn)提交荷載試驗(yàn)方案如下。一、荷載試驗(yàn)?zāi)康臉蛄航Y(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)物工作狀態(tài)進(jìn)行直接測(cè)試的一種鑒定手段。由于大橋的跨徑較大，設(shè)計(jì)、施工技術(shù)難度較大，另外，根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)定，大型橋梁竣工后應(yīng)進(jìn)行生產(chǎn)鑒定性質(zhì)的試驗(yàn)，因此，本次交工荷載試驗(yàn)力求達(dá)到以下目的：1.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)以及對(duì)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象的綜合分析，檢驗(yàn)本橋設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量，確定工程的可靠性，為竣工驗(yàn)收提供技術(shù)依據(jù)；2.直接了解橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，判斷實(shí)際承載能力，評(píng)價(jià)其在設(shè)計(jì)使用荷載下的工作性能；3.驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法和設(shè)計(jì)中的各種假定的正確性與合理性，為今后同類橋梁設(shè)計(jì)施工提供經(jīng)驗(yàn)和積累科學(xué)資料；4.通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性以及其在長(zhǎng)期使用荷載階段的動(dòng)力性能，評(píng)估實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)載性能；5.通過(guò)荷載試驗(yàn)，建立橋梁健康模型，記錄橋梁健康參數(shù)。二、荷載試驗(yàn)依據(jù)(1)．《東營(yíng)黃河公路大橋及接線工程－兩階段施工圖設(shè)計(jì)（修訂版）》（主橋工程）；(2)．《東營(yíng)黃河公路大橋工程監(jiān)測(cè)工作服務(wù)合同協(xié)議書》；(3)．中華人民共和國(guó)交通部部頒標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（89）；(4)．中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTJ071－98）；(5)．中華人民共和國(guó)交通部部頒文件《公路工程竣工驗(yàn)收辦法》（交公路發(fā)[1995]1081號(hào)文）；(6)．中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTJH11－2004）；(7)．《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》（“鐵組”YC4－4/1978科研專題）；(8)．中華人民共和國(guó)交通部《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTJ001－97）。三、工程概述東營(yíng)黃河公路大橋工程位于山東省東營(yíng)市，南北跨越墾利縣和利津縣，在現(xiàn)勝利黃河大橋下游約5公里處跨越黃河，距黃河入?？诩s70km，是目前黃河下游地最后一座橋梁。該項(xiàng)目是國(guó)家規(guī)劃的“五縱”、“四橫”干線公路網(wǎng)及山東省綜合運(yùn)輸網(wǎng)主框架的重要組成部分，是膠東半島、黃河三角洲與京津唐地區(qū)聯(lián)系的重要通道。東營(yíng)黃河公路大橋按高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，全長(zhǎng)2743.1m，為雙向4車道，橋?qū)?6m，設(shè)計(jì)行車速度100km/h，設(shè)計(jì)荷載汽－超20，掛－120；主橋?yàn)?16+200+220+200+116m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)一連續(xù)組合梁，主墩為壁厚1.8m、中心距8m的雙薄壁墩；其他各墩均為矩形截面實(shí)體墩；引橋?yàn)?5孔跨徑42m的先簡(jiǎn)支后連續(xù)的箱梁，下部為直徑1.8m的鋼筋混凝土柱式墩。全橋均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該橋的承建單位是中鐵十四局三公司。橋型立面布置圖參見圖1。圖1東營(yíng)黃河公路大橋主橋靜、動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試斷面布置圖四、荷載試驗(yàn)內(nèi)容東營(yíng)黃河公路大橋荷載試驗(yàn)的內(nèi)容如下：1靜載試驗(yàn)1）測(cè)試試驗(yàn)橋主梁控制截面的最不利彎矩，剛構(gòu)墩墩頂截面、墩底截面最不利彎矩。連續(xù)梁跨中彎矩與剛構(gòu)墩彎距是橋梁的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，跨中混凝土應(yīng)力和剛構(gòu)墩應(yīng)力能較好地反映設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量情況。2）支點(diǎn)、1/4截面最不利剪力和主拉應(yīng)力加載試驗(yàn)。支點(diǎn)截面的剪力是設(shè)計(jì)中的重要控制參數(shù)，而1/4截面的主拉應(yīng)力往往是影響箱梁腹板開裂的重要因素。3）測(cè)試主梁控制截面撓度及剛構(gòu)墩墩頂水平位移。滿足正常使用對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度要求，體現(xiàn)在跨中撓度應(yīng)小于設(shè)計(jì)計(jì)算值或規(guī)范規(guī)定的允許值。測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置見圖1和圖2，靜載試驗(yàn)過(guò)程測(cè)試圖中所示各測(cè)試截面應(yīng)力及沿截面高度的分布規(guī)律，1－1、2－2、3－3截面撓度，7#、8#、11#、12#墩支座縱向水平位移，9#墩墩頂10#、11#斷面縱向水平位移。2動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)定主橋結(jié)構(gòu)的自振特性、受迫振動(dòng)特性、動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移。測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置見圖1和圖2，動(dòng)載試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)測(cè)試全橋結(jié)構(gòu)1～5階自振特性（包括自振頻率、振型和阻尼特性），在動(dòng)荷載作用下，受迫振動(dòng)的振動(dòng)特性（包括頻率、振型、振幅、加速度和動(dòng)力系數(shù)等），圖中所示各測(cè)試截面在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)應(yīng)力及沿截面高度的分布規(guī)律，圖中1－1、2－2、3－3截面動(dòng)撓度，9#墩頂、10#、11#斷面縱向水平位移，7#、8#、11#、12#墩支座縱向水平位移。具體試驗(yàn)項(xiàng)目為：1)脈動(dòng)試驗(yàn)，用于測(cè)定結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性（振型、臨界阻尼比、固有模態(tài)頻率）；2)無(wú)障礙行車試驗(yàn)，主要用于測(cè)定橋面鋪裝層完好時(shí)在運(yùn)行車輛荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)；3)有障礙行車試驗(yàn)，模擬橋面鋪裝層局部損傷，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)；4)剎車試驗(yàn)，測(cè)試車輛緊急剎車的應(yīng)力動(dòng)態(tài)增大效應(yīng)系數(shù)和主梁的縱向漂移位移。3主橋技術(shù)狀況檢查主要內(nèi)容為：結(jié)構(gòu)尺寸，各部位高程、橋面平整度、支座位置、工程材料的物理力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)缺陷、裂縫、損壞等情況，以及加載過(guò)程中和試驗(yàn)完成后結(jié)構(gòu)的檢查對(duì)比。具體按交通部《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，其中部分無(wú)法測(cè)得的，施工過(guò)程中已完成的結(jié)構(gòu)尺寸和工程材料的物理力學(xué)性能等內(nèi)容參照監(jiān)理提供的數(shù)據(jù)。4橋梁受力空間有限元模型及其分析建立該橋空間有限元模型，對(duì)其進(jìn)行活荷載作用下的受力分析，將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較（業(yè)主提供橫荷載和活荷載作用下橋梁受力和變形的設(shè)計(jì)結(jié)果），將其作為該橋的基本模型。在成橋試驗(yàn)后，根據(jù)荷載試驗(yàn)結(jié)果，將進(jìn)一步修正該有限元模型，以作為該橋梁的健康模型。五、測(cè)試方法和測(cè)點(diǎn)布置根據(jù)上述測(cè)試內(nèi)容，采用精密水準(zhǔn)儀在橋面上對(duì)支座處、跨中、截面的撓度進(jìn)行同步觀測(cè)。其中各工況的每一個(gè)加、卸載均進(jìn)行全橋的水準(zhǔn)測(cè)量、梁的水平位移測(cè)量和梁端轉(zhuǎn)角測(cè)量，而應(yīng)變測(cè)量主要進(jìn)行圖1中測(cè)試截面的應(yīng)變測(cè)量工作。(1)結(jié)構(gòu)靜應(yīng)變測(cè)試主要采用光纖光柵解調(diào)儀和光纖光柵傳感器。主梁各截面的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見圖2。圖2箱梁截面測(cè)點(diǎn)示意圖(2)撓度（沉降）測(cè)試儀器和方法。采用水準(zhǔn)儀測(cè)量，撓度測(cè)點(diǎn)布置見圖3。(3)主梁縱向水平位移和梁端轉(zhuǎn)角分別采用全站儀和轉(zhuǎn)角儀。圖3水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)點(diǎn)布置示意圖(4)測(cè)量結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)測(cè)試主要采用光纖光柵溫度傳感器。(5)動(dòng)力測(cè)試主要儀器為：傳感器用超低頻加速度傳感器，最低測(cè)試頻率可達(dá)0.05Hz，分析系統(tǒng)采用CRAS信號(hào)采集和分析系統(tǒng)以及INV智能信號(hào)自動(dòng)采集處理分析系統(tǒng)。六、靜載試驗(yàn)加載車輛與荷載效率1靜載試驗(yàn)車輛本次荷載試驗(yàn)車輛由業(yè)主組織，試驗(yàn)中共需30t車輛18輛，其前軸重量為6t，兩后軸重量均為12t。試驗(yàn)車輛主要技術(shù)指標(biāo)見下表，車輛需配重，并過(guò)磅。表1自卸車技術(shù)指標(biāo)L1L2車型軸距（mm）輪距（mm）L1L2前輪輪自卸汽車40001400180018002靜載試驗(yàn)荷載效率橋梁靜力荷載試驗(yàn)主要是通過(guò)測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載作用下的變形與內(nèi)力，確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)期望值是否相符。它是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際性能，如結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等最直接有效的辦法。本橋單幅橋面寬為12.8米，兩側(cè)各0.5m防撞墻。根據(jù)汽超－20、掛－120的設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)，采用等效荷載的原則，在所測(cè)試截面的內(nèi)力影響線上，按最不利位置進(jìn)行布載，計(jì)算出跨中控制截面在試驗(yàn)荷載作用下的最大內(nèi)力值，它與按設(shè)計(jì)規(guī)范要求布置荷載作用下的跨中控制截面的理論內(nèi)力值的比值即是靜載試驗(yàn)荷載效率η。橋梁的靜力試驗(yàn)按荷載效率η來(lái)確定試驗(yàn)的最大荷載，靜力荷載效率式中：：試驗(yàn)荷載作用下檢測(cè)部位變形或內(nèi)力的計(jì)算值；：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下檢測(cè)部位變形或內(nèi)力的計(jì)算值；：設(shè)計(jì)取用的動(dòng)力系數(shù)，取為1。本次試驗(yàn)為成橋荷載試驗(yàn)，根據(jù)《試驗(yàn)方法》要求，靜力荷載效率η取值宜在0.8～1.05之間。通過(guò)反復(fù)比較計(jì)算，擬采用的靜力荷載效率η值在0.87～1.03之間，符合《試驗(yàn)方法》的要求。進(jìn)行荷載試驗(yàn)布載時(shí)，考慮到原合同方案中的墩頂最大縱向位移方案中，加載后最大縱向位移僅6mm，其測(cè)試已沒(méi)有工程意義，考慮增加剛構(gòu)橋墩9－9截面的最大彎距作為試驗(yàn)工況，測(cè)試墩身受力和變形情況。荷載試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)靜載數(shù)量和橋梁跨徑等條件，分成3級(jí)加載，分別為控制截面內(nèi)力的60%、80%、100%。在某一加載實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，加載方式為單次逐級(jí)遞加到最大荷載，然后分次卸到零荷載。七、試驗(yàn)車輛布置以下圖中尺寸均以厘米計(jì)。1．中跨1-1截面最大正彎矩工況（含最大撓度工況）（1）荷載布置圖圖4加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η2．次邊跨2-2截面最大正彎矩工況（含最大撓度工況）（1）荷載布置圖圖5加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η3．邊跨3-3截面最大正彎矩工況（含最大撓度工況）（1）荷載布置圖圖6加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η4．中跨12-12截面最大負(fù)彎矩工況（1）荷載布置圖圖7加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η5．中跨4-4截面最大剪力工況（1）荷載布置圖圖8加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η6．次邊跨6-6截面最大剪力工況（1）荷載布置圖圖9加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η7．次邊跨14-14截面最大剪力工況（1）荷載布置圖圖10加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η8．9＃墩9截面最大彎距工況（1）荷載布置圖圖11加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η八、動(dòng)載試驗(yàn)動(dòng)載試驗(yàn)主要是測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的自振和受迫振動(dòng)特性，借以分析橋梁的抗震能力和沖擊系數(shù)。1橋梁自振特性測(cè)試（脈動(dòng)試驗(yàn)）脈動(dòng)試驗(yàn)利用橋梁在各種隨機(jī)環(huán)境激勵(lì)（包括地脈動(dòng)、風(fēng)、水流等等）下引起的振動(dòng)響應(yīng)，采集速度信號(hào)，分析得到橋梁結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性（固有頻率、振型和阻尼比），為橋梁的動(dòng)力響應(yīng)分析（抗風(fēng)、抗震、動(dòng)荷載響應(yīng)分析等等）提供參數(shù)。對(duì)于本橋，主要測(cè)試前3階主梁豎向彎曲振型的固有振動(dòng)特性。脈動(dòng)試驗(yàn)采用32通道數(shù)據(jù)信號(hào)采集分析系統(tǒng)CRAS6.0或INV306D分別進(jìn)行試驗(yàn)，采用超低頻（最低采樣頻率可達(dá)0.05Hz）的991型單向傳感器，用小速度檔采集信號(hào)，以更好分析低頻。脈動(dòng)試驗(yàn)采用固定一測(cè)點(diǎn)為參考點(diǎn)，移動(dòng)另外一個(gè)測(cè)點(diǎn)的方法進(jìn)行，按主梁豎平面豎向振動(dòng)采集數(shù)據(jù)，然后再經(jīng)信號(hào)分析得到全橋的各階固有振動(dòng)特性。2受迫振動(dòng)動(dòng)載試驗(yàn)對(duì)橋梁受迫振動(dòng)特性的量測(cè)是利用一輛20t的汽車，在橋面上分別以不同的速度進(jìn)行跑車、在高度為15厘米的墊木上由后輪自由下落（跳車）以及急剎車進(jìn)行激勵(lì)振動(dòng)1）受迫振動(dòng)動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容(1)、無(wú)障礙行車試驗(yàn)橋面無(wú)任何障礙的情況下，采用一輛載重汽車在行車道，以10km/h～60km/h速度駛過(guò)試驗(yàn)橋跨。測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載的作用下動(dòng)力反應(yīng)。根據(jù)橋梁振動(dòng)的最大應(yīng)力幅值求出最不利車速和橋梁在動(dòng)荷載下的動(dòng)應(yīng)力增量。(2)、有障礙行車試驗(yàn)在跨中中線截面設(shè)置高度為15cm的障礙物（三角墊塊），模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)，試驗(yàn)車駛過(guò)障礙物，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在橋面平整度不良狀態(tài)時(shí)運(yùn)行車輛荷載作用下的反應(yīng)。(3)、剎車試驗(yàn)采用一輛載重汽車以30km/h速度行駛跨中截面中線處進(jìn)行緊急制動(dòng)，測(cè)定主梁的振幅、相應(yīng)截面的動(dòng)應(yīng)變及其增量等，以判斷橋梁在緊急制動(dòng)時(shí)的動(dòng)力系數(shù)。3）動(dòng)載試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)布置無(wú)障礙行車試驗(yàn)與有障礙行車試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置在中跨的跨中截面。4）動(dòng)載試驗(yàn)儀器分析系統(tǒng)采用CRAS信號(hào)采集和分析系統(tǒng)以及INV智能信號(hào)自動(dòng)采集處理分析系統(tǒng)。九試驗(yàn)組織與安全保障1試驗(yàn)組織機(jī)構(gòu)為使東營(yíng)黃河公路大橋荷載試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，保證大橋按時(shí)通車，建議成立東營(yíng)黃河公路大橋荷載試驗(yàn)指揮小組和東營(yíng)黃河公路大橋荷載試驗(yàn)小組，試驗(yàn)指揮小組指揮長(zhǎng)由業(yè)主擔(dān)任，設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、施工、監(jiān)理單位派員參加，負(fù)責(zé)組織、協(xié)調(diào)處理和確定在施工過(guò)程可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題。試驗(yàn)小組組長(zhǎng)由試驗(yàn)方人員擔(dān)任，具體負(fù)責(zé)荷載試驗(yàn)有關(guān)事宜。2安全保障體系1)結(jié)構(gòu)安全保障由各工況影響線正確計(jì)算出加載車輛數(shù)和加載位置，使各工況既滿足加載效率要求，又確保結(jié)構(gòu)安全。對(duì)特殊部位進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算以避免給結(jié)構(gòu)帶來(lái)不利影響。試驗(yàn)前后加載車輛進(jìn)出場(chǎng)，以及試驗(yàn)期間加卸載時(shí)，在非試驗(yàn)區(qū)段，嚴(yán)格注意車輛荷載不要超載。在試驗(yàn)區(qū)時(shí)，車輛按指揮人員行駛、就位、停放。2)試驗(yàn)車輛調(diào)配根據(jù)試驗(yàn)工況，制定詳細(xì)的全程車輛行駛線路，并派專人負(fù)責(zé)指揮交通，確保車輛進(jìn)橋、出橋安全。所有車輛駕駛?cè)藛T將嚴(yán)格按照試驗(yàn)操作規(guī)程及安全生產(chǎn)條例作業(yè)。3)試驗(yàn)人員和試驗(yàn)設(shè)備的安全試驗(yàn)人員嚴(yán)格遵守安全生產(chǎn)操作規(guī)程，服從指揮人員的安排。對(duì)加載車司機(jī)進(jìn)行培訓(xùn)。夜晚試驗(yàn)時(shí)，作業(yè)面安裝足夠的照明設(shè)備，橋面設(shè)置一定安全防護(hù)設(shè)施，確保人員安排。當(dāng)試驗(yàn)準(zhǔn)備工作開始后，各種試驗(yàn)儀器及大量導(dǎo)線會(huì)陸續(xù)上橋安裝到位，進(jìn)行試驗(yàn)前的各項(xiàng)調(diào)試。在正式荷載試驗(yàn)前，安排專人對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)備看守。試驗(yàn)以及試驗(yàn)準(zhǔn)備期間，應(yīng)禁止無(wú)關(guān)人員及車輛上橋。4)配合東營(yíng)黃河公路大橋的荷載試驗(yàn)是一個(gè)巨大的系統(tǒng)工程，只有在試驗(yàn)指揮小組的指導(dǎo)下各方面密切配合，方能取得圓滿成功。希望在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，有關(guān)方面尤其是施工單位能夠大力協(xié)助配合試驗(yàn)工作。具體配合事項(xiàng)：(1)電源及照明，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)接通220V電源，供儀器和照明用