三塔四跨悬索桥承载能力研究

Transportation Science & Technology

Serial No. 287 No. 2 八pr.2018

DOI 10. 3963/j. issn. 1671-7570. 2018. 02. 007

三塔四跨悬索桥承载能力研究

曾德礼12

(1.中铁大桥科学研究院有限公司武汉430034; 2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室武汉430034)

摘要以武汉鹦鹉洲长江大桥成桥静动载试验为背景，提出了三塔四跨悬索桥荷载试验的要

点。建议在规范规定的测试内容基础上增加温度测试、伸缩缝位移测试及中塔扭转效应测试等内 容；对三塔四跨悬索桥静动载试验的加载效率适当调整；并将武汉鹦鹉洲长江大桥的结构校验系 数与规范常数值、马鞍山长江大桥、泰州长江大桥及阳逻长江大桥的实测结果进行了对比分析。关键词公路桥梁三塔四跨悬索桥现场试验加载效率校验系数自振频率

悬索桥是大跨度桥梁的主要形式之一，因其 主要杆件受拉力，利用效率较高，使其较其他结构 形式更适合修建大跨度桥梁，同时悬索桥还具有 跨径愈大，材料耗费愈少、造价愈低的优点，因此， 悬索桥被世界各国广泛应用于特大跨度桥梁建设 之中。传统的大跨度悬索桥多为双塔悬索桥，如 目前世界最大跨度的悬索桥明石海峡大桥为960

m+1 991 m + 960 m双塔三跨悬索桥，国内最大

2三塔四跨悬索桥结构特点

1) 中塔受力复杂。本桥的主缆从锚碇起

过一个边跨和一个主跨后才到达中塔，主缆对中 塔塔顶的约束相对较弱，在荷载作用下，中塔承受 的水平力及其两侧主缆的水平力将根据刚度比通 过变形来达到平衡，因此中塔本身刚度的大小将 直接影响到多塔连跨悬索桥全桥的变形和受力特 点[2]。

跨度的悬索桥润扬长江公路大桥为主跨1 490 m 的双塔单跨悬索桥。大跨度三塔悬索桥作为悬索 桥发展的最新成果，目前国内已建成3座，其中泰 州长江大桥、马鞍山长江大桥为三塔二跨悬索桥， 武汉鹦鹉洲长江大桥为三塔四跨悬索桥。作为新 的结构形式，对三塔悬索桥其进行成桥静动载试 验验证其承载能力非常有必要1。

1

工程概况

2) 钢-混组合梁。钢-混组合梁是钢梁和所

承的钢筋混凝土板通过抗剪连接件组合成一个整 体而共同工作的梁。组合梁能更好地发挥钢的抗 拉性能和混凝土的抗压性能3，而钢-混组合梁中 钢材和混凝土的应力分布情况是近年来钢-混组 合梁受力情况研究的重点。

3) 几何非线性显著。本桥具有塔柱高、跨

大、结构柔的特点。主跨跨度大，结构整体几何非 线性影响明显。活载内力计算时应考虑结构恒载 的初始内力状态对结构刚度和几何非线形分析的 影响4。

武汉鹦鹉洲长江大桥主桥采用225 m + 2X 850 m+225 m三塔四跨钢-混凝土结合梁悬索 桥。主梁采用双铰式支承体系，中塔为钢-混凝土 叠合结构，边塔为混凝土结构。中塔下横梁及两 边塔下横梁上设有主梁竖向支座和横向抗风支 座，同时，在两边塔下横梁上设有纵向液压阻尼装 置。武汉鹦鹉洲长江大桥是武汉市首座8车道长 江大桥，设计荷载为公路一 I级，设计车速为60

km/h，大桥于2014年12月28日正式建成通车。

4) 温度效应复杂。温度场对超大跨度悬

桥的影响显著，另外，主桥采用了钢材和混凝土 2 种不同传热属性的材料，使得本桥的温度场分布 和效应的复杂程度远大于一般的大跨度悬索桥。

5) 动力特性复杂。本桥跨度大，塔柱高，

基和土之间的相互作用对结构的动力影响大，因 此，桩土效应不能忽略。同时由于桥梁跨度大，桥 梁基频低，试验时需选用高精度拾振器测试其结 构自振频率。

收稿日期：018-01-04

2018年第2期曾德礼：三塔四跨悬索桥承载能力研究

3静动载试验内容及方法

工况的加载效率满足规范要求时，其他主要工况 的加载效率可能超过规范限值（如主塔顺桥向最

大偏位的加载效率达到85%时，主跨跨中挠度的 加载效率会超过105%)。根据资料调查，在马鞍 山长江大桥（主跨2X1 080 m三塔两跨悬索桥）、 泰州大桥（主跨2 X 1 080 m三塔两跨悬索桥）及 武汉阳逻长江大桥（主跨1 280 m的双塔悬索桥） 的成桥荷载试验时出于谨慎考虑，均对部分工况 (如桥塔塔顶顺桥向最大位移、锚跨索股最大索 力、塔顶最大扭转等）的加载效率进行了适当调 整，实际加载效率在50%〜80%之间，从而达到

3.1静载试验测试内容

桥梁成桥静动载试验是桥梁验收的重要依

据，目前桥梁静载试验内容主要根据JTG/TJ21- 01 — 2015《公路桥梁荷载试验规程》确定。依照 该规范，悬索桥静载试验测试内容主要包括：①加 劲梁最大正弯矩截面应力及挠度;②主塔塔顶纵向 最大水平位移及塔脚截面应力；③塔、梁体混凝土 裂缝;④最不利吊杆索力增量；⑤主缆锚跨索股最 大张力增量;⑥加劲梁梁端最大纵向位移漂移。其 中①一④项为必测工况，⑤〜⑥项为选测工况。综

合本桥结构特点，建议试验时增加以下测试内容：

1) 温度测试。本桥为大跨度桥梁，具有塔

高、跨度大的特点，结构变位受温度影响显著，计

算结果表明，环境温度每升高1 主梁主跨跨中 下挠19 mm,塔偏向中跨偏位2 mm。本次试验 加载车辆多，加载时间长，特别是跨中最大挠度加 载工况的加载车辆达台车，加载时长近30

m i n，加载前后的温度变化直接影响挠度和塔偏

的测试精度，因此，试验时需测试环境、桥梁的温 度场。温度场测试包括塔、组合梁、主缆、吊索、大 气5部分的温度。

2) 中塔钢-混接头处应力测试。鹦鹉洲长江

大桥中塔采用钢-混叠合结合的结构，这种新颖的

混合塔柱受力复杂，试验时除了对规范要求的塔

脚截面应力测试外，还需对钢-混接头位置附近的 钢结构、混凝土结构的应力分别进行测试。

3) 伸缩缝位移测试。伸缩缝位移直接关系 到行车的舒适性，为降低活载作用下的伸缩缝位

移，本桥采用纵向半漂浮体系，试验时需对梁端伸 缩缝位移进行测试。4) 中塔扭转效应测试。由于两主跨的跨度 较大，导致中塔的扭转效应明显大于两塔悬索桥，

因此在试验过程中应对中塔的扭转效应进行测试5。

5)

支座工作状态观测。本桥主梁采用四跨

简支钢-混结合梁，主梁在边、中塔及边墩处均设

置竖向抗压支座，在中塔、边墩处设纵向固定支 座。由于中塔处支座竖向和纵向均进行了约束，

导致该处支座受到的竖向力和剪力均较大，加载 过程中需观测各支座是否工作正常。3.2加载效率的确定

依照JTG/T J21-01 — 2015《公路桥梁荷载 试验规程》的要求，成桥静动载试验以设计荷载作 为控制荷载，试验加载效率宜控制在0. 85〜1. 05 之间。由于本桥跨度较大，规范规定的部分主要

既能保障桥梁结构安全，又使静载试验仍能满足

检验设计、验证桥梁结构工作性能的目的。考虑 到实际运营时大量荷载同时作用于桥梁结构上出 现的概率较低，经质监部门和桥梁管养单位同意， 本次试验加载工况的加载效率适当予以了降低， 实际加载效率如下：1) 主梁最大内力及挠度加载工况。加载

率控制在80%〜100%之间。

2) 吊索索力最大增量加载工况。加载效控制在80%〜100%之间。

3)

桥塔塔顶顺桥向最大位移、锚跨索股最

索力、梁端纵向最大偏位加载工况:加载效率控制

在50%〜70%之间。3.3动载试验动载试验分为脉动试验和强迫振动试验。其

中脉动试验在空载的情况下测试桥梁的自振频 率、阻尼比和结构阵型；虽迫振动试验模拟车辆的 实际运营情况，分为跑车试验、会车试验和跳车试 验，分别测试桥梁在车辆荷载作用下的强迫振动 响应。

鹦鹉洲长江大桥主跨跨度大，桥梁基频低，理

论计算的一阶自振频率为0.097 Hz，试验时选用 991型超低频测振仪测试其结构自振频率。本桥 为8车道，车道折减系数为0. 5,跑车试验和会车 试验时采用4台300 kN加载车进行试验，跳车试 验采用1台300 kN的加载车进行试验。动挠度 采用结构动态位移监测系统（SDDMS)进行测试。4静载试验主要测试结果

4. 1

主梁挠度

本次试验对汉阳侧主跨跨中最大挠度和汉阳

侧主跨1/4跨最大挠度分别进行了加载，加载车 辆分别为台和48台。挠度测试选用高精度、 高效率的桥梁挠度仪[6]进行测试，实现了加载到 位后3 s内完成全桥挠度测点的测试工作，有效 地降低了测试过程中温度变化和人为转站产生的

24曾德礼：三塔四跨悬索桥承载能力研究2018年第2期

测试误差，提高了试验效率。对主跨跨中最大操

度加载时，实测组合梁挠度最大值为2 005. 6 mm，计算值为2 095. 91 mm，校验系数为0. 96; 对主跨1/4跨最大挠度加载时，实测组合梁挠度 最大值为1 574.5 mm，计算值为1 721.6 mm，校 验系数为0.91。在主跨跨中挠度加载工况下主 梁挠度曲线见图1，该工况荷载效率94.9%，将该 测试挠度值换算为设计荷载时的挠度值为 2 113.4 mm，挠跨比//L为1/402. 2,表明结构 刚度满足设计规范要求。

度满足设计及规范要求。

规范中钢结构的应力校验系数常值为0. 75〜1. 0,预应力混凝土桥应力校验系数常值为0. 60〜0.90。实测应力校验系数较规范常值略微偏小，经 查阅资料，马鞍山长江大桥在静载试验荷载作用 下，主梁应力校验系数为0. 60〜1. 05,主塔应力校 验系数为0. 62〜1. 04,本桥应力实测校验系数基 本在马鞍山长江大桥应力校验系数范围内。4.4吊杆索力增量

理论活载计算最大索力增量为中塔附近62 挠度加载时主要挠度测点的挠度校验系数在

0.91〜0.96之间，接近规范中挠度校验系数常数 值（0.75〜1.0)的上限。经查证，马鞍山长江大 桥、泰州长江大桥及阳逻长江大桥等大跨度悬索 桥静载试验时主要挠度测点的挠度校验系数分为 介于0. 96〜1. 0之间，0. 92〜1. 0[7]之间及0. 99 〜1.0[8]之间，与本桥的挠度校验系数相当。4.2主塔偏位

试验中对中塔及边塔上下游塔顶偏位进行了 测试。在中塔顺桥向最大偏位加载工况下，中塔 塔顶偏位测试结果见表1。

表1

中塔顺桥向最大偏位工况下中塔塔顶偏位结果

测点位置实测值/mm

计算值/mm

校验系数

中塔上游侧塔顶449

4750. 95中塔下游侧塔顶

4624750. 97

由表1可见，中塔塔顶上下游实测值分别为 449 mm和462 mm，计算值为475 mm，校验系数 在0.95〜0. 97之间，校验系数均小于1，表明主 塔整体抗弯刚度满足设计及规范要求。

规范中未给出塔偏校验系数的常数值，经查 阅资料，马鞍山长江大桥在静载试验荷载作用下， 塔偏校验系数在0. 90〜0. 98之间，与本桥的塔偏 校验系数相当。

4.3主梁及主塔应力

在静载试验荷载作用下，各测试工况作用下 组合梁各应力测点应变校验系数为0. 62〜0. 88, 主塔各应力测点应变校验系数为0. 56〜0. 88,校 验系数均小于1，表明主梁和主塔的整体抗弯强

号索（6233,62乂3,62313,62113)，4根索的实测索力 增量分别为196,205，181及191kN，计算值为 290 kN，索力校验系数为0. 62〜0. 71，实测值小 于计算值，表明斜拉索受力满足规范要求。

规范中未给出吊杆索力增量校验系数的常数 值，经查阅资料，马鞍山长江大桥在静载试验荷载 作用下，索力增量校验系数为0. 61〜1. 03,本桥 吊杆索力增量实测校验系数基本在马鞍山长江大 桥吊杆索力实测校验系数范围内。4.5其他测试成果

在静载试验过程中，实测最大伸缩缝位移和 梁端位移分别为47 mm和45 mm，伸缩缝位移量 较小，对行车的舒适性影响较小。试验中对加载 过程中的主梁、主塔及支座等关键部位进行了观 测，观测过程中未发现主梁、主塔关键部位产生裂 缝，各支座工作正常，桥梁其它构件均未出现异常 情况。5

动载试验结果与分析

5.1自振特性分析

鹦鵡洲长江大桥为大跨度柔性结构[9_10]，表2 为前十阶脉动试验的自振频率测试结果。结构

前十阶自振频率为0. 097〜0. 261Hz，实测自振 频率为0. 103〜0. 310 Hz，实测值均大于计算值， 表明结构的整体动力刚度满足要求。

表2

鹦鹉洲长江大桥自振特性

阶数

计算Hz频率/

实测值/

阻尼比备注

1

0. 0970. Hz1030. %/

19一阶竖向反对称弯曲20. 1280. 1350. 41二阶竖向反对称弯曲30. 1590. 1650. 70三阶竖向对称弯曲40. 1810. 1880. 61三阶竖向反对称弯曲50. 2000. 2080. 34一阶非对称扭转弯曲60. 2050. 2150. 39二阶对称扭转弯曲70. 2080. 228三阶非对称扭转弯曲80. 2140. 248五阶竖向反对称弯曲90. 2380. 2680. 32

四阶竖向对称弯曲10

0. 2610. 310

四阶非对称扭转弯曲

2018年第2期曾德礼：三塔四跨悬索桥承载能力研究25

5.2强迫振动试验结果分析

采用4台车进行跑车试验和会车试验，跑车 工况下，主梁实测竖向振幅最大值为6. 04 mm, 发生在以50 km/h跑车时主梁跨中截面测点处； 会车工况下，主梁竖向振幅最大值为4. 46 mm， 发生在以60 km/h行车时主跨跨中截面测点处。跑车试验和会车试验时，结构受迫振动频率

约在3 Hz左右，实测自振频率在0. 103〜0. 310

Hz之间，运营车辆的引发的受迫振动频率与结构

他类似桥梁参考。

参考文献

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与试验分析[].桥梁建设，2011(5) :31-35.

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]张欣禹.桥梁挠度测试仪检测结果分析[].世界桥 梁，2012,40(3):42-45.

J

自振频率相差很大，不会出现共振现象。实测桥 梁冲击系数平均值为0. 03,冲击系数小于JTG

D60 — 2015《公路桥涵设计通用规范》的设计值

0 05。6

结论

J

[1) 对三塔四跨悬索桥静动载试验的测试内 容，在JTG/TJ21-01—2015《公路桥梁荷载试验

规程》规定的测试内容的基础上，建议增加温度测 试、中塔钢-混接头处应力测试、伸缩缝位移测试

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特性参数影响分析[].武汉理工大学学报（交通科 学与工程版），017,41(4): 38.

及中塔扭转效应测试等内容。

2) 对三塔四跨悬索桥静动载试验的加载效 [9 ]率予以适当降低，并给出了主要工况加载效率的 建议值。

3 )将武汉鹦鹉洲长江大桥的结构校验系数 与规范常数值、马鞍山长江大桥、泰州长江大桥及 阳逻长江大桥的实测结果进行了对比分析，供其

Study on Load Bearing Capacity of Thrtje-tower and Four-span Suspension Bridge

ZENGDeU1，China Railway Bridge Science Research Institute Ltd.，Wuhan 430034, China;

2. State Key Laboratory for Health and Safety of Bridge Structure, Wuhan 430034, China)

(1.

Abstract： Referring to the

load test on Wuhan Yingwuzhou Yangtze River Bridge,th

the load test on three-pylons and four-span suspension bridge are put forward . It is suggested thattemperature test，expansion joint displacement test and middle tower torsion effect test should be add­ed on the basis of the test contents speciiled in the technical standard；The loading efiiciency is suitably adjusted. The structural calibration coefiicient of Wuhan Yingwuzhou Yangtze River Bridge is also an­alyzed with the constant normal value, the measured data of Maanshan Yangtze River Bridge，Taizhou Yangtze River Bridge and Yangluo Yangtze River Bridge .

Key words： highway

bridge； three-pylons and four-span suspension bridge； Held t

cy ； testing coeficient； natural frequency