悬索桥荷载试验方案.docx
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悬索桥荷载试验方案
某悬索桥荷载试验方案
1概述
1.1工程概况
某悬索桥桥梁全宽19.0m。
主桥采用单拱塔双索面自锚式悬索桥，跨径组合为45.5+45.5=91.0m主塔下接承台，基础采用钻孔灌注桩基础，桥台采用一字墙式桥台，与路堤相接。
主塔为椭圆形拱塔，主缆鞍座一下部分为变截面矩形钢筋混凝土断面，鞍座以上部分为钢箱断面，截面尺寸由根部3.135m（顺桥向）×2.3m（横桥向）渐变为塔顶1.4m（顺桥向）×1.0m（横桥向）。
拱塔全高42.478m，桥面以上高34.584m。
主塔横桥向外轮廓线由椭圆曲线、直线段平顺连接，椭圆曲线长轴为26.5m，短轴12.0m，直线段长15.978m。
本桥主梁为2×45.5m预应力钢筋混你那天连续箱梁结构，单箱四室，桥梁中心线处梁高1.5m，顶面设置2%的双向横坡，截面顶面宽19m，箱梁顶、底板厚25cm，腹板厚40cm。
每隔6m对应吊索处设置一道40cm厚的横隔梁，吊杆锚固于主梁外侧梁底。
桥塔处设置一道200cm厚的横隔梁，桥台处设置一道280cm厚的端横梁。
主梁除在桥台处设有竖向支承外，在桥塔处下支墩上也设置有竖向支承支座。
1.2主要技术标准
1、设计基准期：
100年；
2、道路等级：
城市次干道Ⅱ级；
3、设计行车速度：
40km/h；
4、设计荷载：
1）汽车荷载：
公路—Ⅱ级；
2）人群荷载：
3.0KN/㎡；
3）温度变化：
-3℃~34℃；
4）抗震设防标准：
抗震设防类别B类，抗震烈度6度；抗震设防措施等级7度；基本地震动加速度峰值0.05g；
5、桥面宽度：
（沿路线前进方向从左往右布置）
5.0m（人行道含栏杆）+9.0m（车行道）+5.0m（人行道含栏杆）=19m
6、桥面横坡：
双向2.0﹪；
7、桥面纵坡：
0.8﹪、-0.8﹪；
8、最高洪水位：
按20年一遇洪水位进行设计。
1.3结构形式
某悬索桥采用半漂浮体系，单拱塔双索面自锚式悬索桥，如下图所示：
图1.1全桥结构示意图
箱梁断面示意图如下所示
图1.2箱梁结构断面示意图（单位cm）
2试验目的与依据
2.1试验目的
试验的主要目的有以下几个方面：
（1）检验设计、施工质量，确定工程的可靠性，为交（竣）工验收提供技术依据；
（2）验证悬索桥结构设计的合理性，为设计积累科学资料；
（3）直接了解悬索桥结构承载能力情况，以判断实际承载能力，评价其在设计使用荷载下的工作性能；
（4）通过动载试验了解悬索桥结构的固有振动特性以及在长期使用荷载阶段的动载性能。
（5）检验悬索桥主体结构的工程质量，验证结构的可靠性，建立桥梁结构的“指纹”档案，为以后的运营、管养、检测提供基础数据。
2.2试验依据
本次桥梁试验主要依据以下技术文件和标准进行：
1.《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）
2.《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）
3.《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）
4.《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2004）
5.《公路工程结构可靠度设计统一标准》（GB/T50283-1999）
6.《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）
7.《大跨径混凝土桥梁的测试方法》（YC4-4/1982）
8.《某悬索桥图纸》
3试验实施说明
3.1试验内容
现场试验和内业的分析计算主要有以下几个方面：
1．实测桥梁控制断面在静载作用下的应变和挠度；
2．实测桥梁在动载作用下的动态参数；
3．检查主梁是否出现新裂缝；
4．分析计算桥梁结构控制断面的应变和挠度；
5．分析在静、动力荷载作用下桥梁的整体工作性能；
6．通过计算和试验数据的比较，确定试验桥梁的承载力刚度是否满足要求。
3.2试验荷载
根据《公路桥梁承载能力检测评定规程（JTGTJ21-2011）》中的建议，桥梁荷载试验一般采用基本荷载。
其中，静力试验荷载的效率系数的取值范围为：
（2-1）
其中：
η—荷载效率系数，η=Sstat/（S×δ）；
Sstat—试验荷载作用下检测部位变位或力的计算值；
S—设计标准荷载作用下检测部位变位或力的计算值（不计动力系数）；
δ—设计取用的冲击系数值。
为了保证试验的有效性，必须使测试截面的试验荷载的效率系数大于或等于0.95。
即在实际加载过程中，为了减少试验时间及简化工况的目的，在保证主要检验项目荷载系数满足要求的前提下，要适当减少或加大某些项目的荷载效率系数，但荷载效率系数的增大必须保证结构的安全。
3.3试验前准备
正式加载前，应完成一下准备工作：
（1）现场考察以及试验方案设计。
（2）搭设观测脚手架。
脚手架的搭设要保证安全，方便安装、观测仪表，不影响仪表的正常工作，不干扰测点附属设施。
（3）静载试验加载位置的放样和卸载位置的安排。
静载试验前在桥面对应位置进行放样，以便于加载试验的顺利进行。
静载试验的卸载位置应预先安排，既要考虑加卸载方便，离加载位置近些，又要不影响试验点的受力。
（4）仪器安装与检查。
仪表、设备容易受到碰撞、扰动的部位应加保护设备，系保险绳或设置醒目标志。
按仪表要求进行标定和必要的误差修正，满足测试精度要求。
（5）试验分工及其它准备工作。
（6）预加载。
在正式试验以前，对结构进行2~3次预加载，以消除非弹性变形，使结构进入正常工作状态，荷载、位移关系趋于稳定。
预加载还可以检查测试设备是否正常，性能是否可靠，人员是否组织完善，操作是否熟练。
若结构回零及线性很好，预加载1~2次便可进入正式试验。
3.4试验过程
所有加载试验均按以下原则进行：
（1）为了加载安全和了解结构应变、挠度随加载大小的变化关系，对主要工况分2级施加荷载，分2级卸载。
（2）为了尽可能地减小加载试验中结构残余变形的影响，静载试验加载和卸载到位后，关闭汽车发动机，持续一段时间。
加载和卸载的持续时间一般以结构变形达到稳定为原则。
如果5分钟内的测试增量小于量测仪器的最小分辨率，或后5分钟的增量小于前5分钟增量的15%，可认为结构达到相对稳定。
（3）现场试验中各工况，对重要测点数据与理论值现场进行分析比较。
（4）动载试验相邻试验的间隔时间超过10分钟。
3.5安全控制措施
需要采取一定的安全控制措施，才能保证试验安全和成功。
试验荷载应分级施加，每级荷载施加后，应及时测读数据并与相应计算值对比分析，确认结构安全后再继续加载。
试验过程中，工作人员随时观察结构关键部位的状况，如有异常立刻通知指挥人员并停止试验。
当加载过程中发生下列情况之一时，立即终止加载：
（1）控制测点的挠度、应力实测值已明显超过设计值。
（2）裂缝的长度、宽度急剧增加，新裂缝大量出现，结构发出异常的响声或已出现明显的破损。
（3）发生其它影响桥梁正常使用和承载能力的损坏。
4主要试验仪器与设备
本次桥梁荷载试验采用的主要试验仪器与设备如表4-1所示：
表4-1主要检测仪器及设备一览表
序号
仪器设备名称
测试精度
型号规格
产地
用途
1
静载测试仪
2.22
DH3815（或7V08）
中国、日本
静载数据采集
2
接线箱（及传输
电缆）
2.22
DH3815（或7V08）
中国、日本
静载数据传输
3
全站仪
±1.5’
TC-2003
瑞士
几何测量
4
棱镜
LEICA
瑞士
几何测量
5
精密水准仪
0.2mm
中国
挠度测量
6
数码相机
S5100
日本
损伤及现场资料记录
7
发电机
雅马哈
美国
发电
5静载试验
5.1静载试验测点布置
5.1.1挠度测点布置
5.1.1.1主梁挠度测点
挠度测点设在梁底端，采用百分表或精密水准仪观测结构竖向变位。
根据主梁活载作用挠度包络图，确定某悬索桥的跨中、L/8、L/4、3L/8、塔脚截面处为挠度测试断面如图5.1所示，图中标记处为挠度测点。
图5.1主梁挠度测点布置示意图
5.1.1.2主塔挠度测点
主塔挠度测点布置在桥塔顶部，采用全站仪监测，测点布置。
5.1.2应变测点
图5.2应变测试断面测点布置示意图
5.1.2.1主梁应变测点
根据结构受力特点，主梁纵向应变测点为3个：
跨中、L/8、3L/8，如图5.2中的I-I，II-II，III-III断面所示：
图5.3主梁应变测试断面测点布置示意图
5.1.2.2主塔应变测点
主塔根部布置测点断面一处，为IV-IV断面（如图5.2所示）,主塔根部断面应变测点布置如5.4图所示：
图5.4主塔根部断面应变测点布置示意图
5.1.3加载车辆
根据本工程的设计荷载等级，按照等代荷载的方式进行加载。
计算确定试验荷载，并结合现场实际情况，选择满足试验的车辆和车重进行试验加载。
为了准确进行荷载试验，试验前进行了理论计算。
本桥采用MIDAS/Civil程序进行了结构静力计算、活载效应计算及相应的加载效率的计算。
表5.1加载车辆技术参数与载重表
车型
中后轴距
（cm）
前中轴距
（cm）
后轮距
（cm）
前轴重
（kN）
中后轴重
（kN）
总重
（kN）
重车
135
385
180
80
160
400
图5.4试验重车车型示意图
5.2试验工况
（1）跨中最大正弯矩工况，横桥向为中载；
（2）跨中最大正弯矩工况，横桥向为偏载；
（3）L/8最大正弯矩，横桥向为中载；
（4）L/8最大正弯矩，横桥向为偏载；
（5）主塔塔顶纵向最大水平变位，横桥向为中载；
（6）主塔塔顶纵向最大水平变位，横桥向为偏载。
以上各工况车辆纵向布置如图5.5-10所示：
图5.5跨中最大正弯矩工况（中载）
图5.6跨中最大正弯矩工况（偏载）
图5.7L/8最大正弯矩工况（中载）
图5.8L/8最大正弯矩工况（偏载）
图5.9塔顶位移最大工况（中载）
图5.10塔顶位移最大工况（偏载）
5.3试验观测项目
（1）应变观测：
在试验过程中，对每一工况的每级加载应变进行数据采集，应变观测应包括初应变、各工况对应的弹性应变、残余应变等，并及时与理论计算结果进行对比分析。
（2）挠度观测：
在试验过程中，对每一工况的每级加载挠度进行数据采集，挠度观测应包括初挠度、各工况对应的弹性挠度、残余挠度等，并及时与理论计算结果进行对比分析。
（3）裂缝观测：
在试验加载过程中，采用人工巡查的方式检查梁体的开裂情况，一旦梁体或主塔出现受力开裂现象，应立即停止试验加载。
5.4试验荷载加载分级
为了加载安全和了解结构应变和变位随试验荷载增加的变化关系，对桥梁荷载试验各主要工况的加载应分级进行，而且一般安排在开始的几个加载程序中执行。
附加工况一般只设置最大内力加载程序。
（l）分级控制的原则
当加载分级较为方便时，可按最大控制截面内力荷载工况均分为4一5级;当使用载重车加载时，车辆称重有困难时也可分成为3级加载;当桥梁的调查和验算工作不充分或桥况较差时，应尽量增多加载分级。
如限于条件，加载分级较少时，应注意每级加载时，车辆荷载应逐辆驶入预定加载位置必要时可在加载车辆未到达预定加载位置前分次对控制测点进行读数监控，以确保试验安全;在安排加载分级时，应注意加载过程中其他截面内力亦逐渐增加，且最大内力不应超过控制荷载作用下的最不利内力;根据具体条件决定分级加载的方法，最好每级加载后卸载，也可逐渐加载达到最大荷载后逐渐卸载。
（2）车辆荷载加载分级的方法
逐渐增加加载车辆数，先上轻车后上重车，加载车位于内力影响线的不同位置，加载车分次装载重物，以上各法亦可综合采用，以方便加载分级实施。
（3）加卸载的时间选择
为了减少温度变化对试验造成的影响，加载试验时间以22:
00一6:
00为宜，尤其是采用重物直接加载，加卸载周期比较长的情况下只能在夜间进行试验。
对于采用车辆等加卸载迅速的方式，如夜间试验照明等有困难时亦可安排在白天进行试验但在晴天或者多云的天气下进行加载试验时，每一加载周期所花费的时间不宜超过20min。
（4）加载分级的计算
根据各荷载工况的加载分级，按弹性阶段计算结构各测点在不同荷载等级下的理论计算变位（或应变），以便对加载试验过程进行分析和控制。
计算采用的材料弹性模量，如己做材料试验的用实测值，未做材料试验的可按规范规定取值。
为了获取结构试验荷载与变位的相关曲线，以及防止结构意外损伤，试验加载采用分级加载的方式，共分4级加载，1级卸载。
每次加载或卸载要求在前一荷载阶段内结构变位相对稳定后，才能进入下一个荷载阶段。
一般是选定一个敏感的测点在加载后进行观测，达到稳定后方可进入下一级加载。
5.5试验的关键控制措施及试验注意事项
5.5.1加载实施及控制措施
（1）加载程序
加载应在试验指挥人员指挥下严格按试验方案中拟定的加载程序进行：
釆用重物加载时,按份载分级逐级施加，毎级荷载堆放位置准确、整齐稳定。
荷载施加完毕后，逐级卸载。
采用车辆加载时，先由零载加至第一级荷载，卸载至零载；再由零载加至第二级荷载，卸至零载……立至所有荷载施加完毕（有时为了确保试验结果准确无误，每一级荷载車复施加1-2次）。
每一级荷载施加次序为纵向先施加重车,后施加前后标准车;横向先施加桥中心的车辆,后施加外侧的车辆。
为了确保安全，每个工况的试验采用分级加载的措施，具体作法是：
将全部荷载分为四级，逐级增加，每级加载时车辆缓缓驶入预定加载位置，测取当时的挠度和应变值并立即与计算值作比较，经分析确信结构仍处于弹性工作阶段后，再增加下一级荷载，逐级加载达到最大荷载后再逐级卸载。
（2）加载稳定时间控制
为控制加卸载稳定时间，应选择一个控制观测点（如简支梁的跨中挠度或应变测点），在每级加载（或卸载）后立即测读一次，计算其与加载前（或卸载前）测读值之差值
然后每隔2main测读一次,计算2main前后读数的差值
，并按下式计算相对读数差值：
当m值小于或小于足测仪器的最小分辨值时，即汄为结构基本稳定，可进行各观测点读数。
但当进行主要控制截面最大内力荷载工况加载程序时，荷载在桥上稳定时间应不少于5main，对尚未投人营运的新桥应适当延长加载稳定时间。
在试验过程中，为减少混凝土流变特性对测读结果的影响，各工况荷载到位后，关闭汽车发动机，持续10分钟以上，待结构变形完全稳定后再测取数据。
每次卸载后再测取一次数据，以计入残余应变的影响。
每次卸载后至下一次加载的间隔时间均不少于10分钟。
（3）加载温度控制
为了减小温度变化对静载试验测试结果的影响，静载试验原则上选择在气温变化不大于2℃和结构温度趋于稳定的时间段内进行。
根据我方以往的测试经验，静载试验在22:
00至次日6:
00进行（该时段温度较为恒定，且试验对交通的影响较小）。
（4）加载过程的观察
加载试验过程中应对结构控制点位移（或应变）、结构整体行为和薄弱部位破损实行监控，并将结果随时汇报给指挥人员作为控制加载的依据。
随时将控制点实测位移与计算结果比较，如实测值超过计算值较多，则应暂停加载，待査明原因再决定是否继续加载。
试验人员如发现其他测点的测值有较大的反常变化也应査找原因，并及时向试验指挥人员报告。
加载过程中应指定人员随吋观察结构各部位可能产生的新裂缝，注意观察构件薄弱部位是否有开裂、破损，组合构件的结合面是否冇幵裂错位，支座附近混凝土是否开裂，横隔板的接头是否拉裂，结构是否产生不正常的响声，加载时墩台是否发生摇晃现象等等。
如发生这些情况，应报告试验指挥人员，以便采取相应的措施。
5.5.2加载加安全监测
加载应严格按设计的加载程序进行，荷载的大小和截面内力都应从小到大逐渐增加，并随时做好停止加载或卸载的准备。
加载试验过程中，要及时分析控制测点的变位或应变，随时观察结构薄弱部位开裂等状况一旦发现下列情况，应立即终止加载试验。
发生下列情况应中途终止加载：
（1）控制测点应力值已达到或超过用弹性理论按规范安全条件反算的控制应力位时；
（2）控制测点变位（或挠度）超过规范允许值吋；
（3）由于加载使结构裂缝的长度、宽度急剧增加,新裂缝大量出现,缝宽超过允许值的裂缝大景增多，对结构使用寿命造成较大的影响时；
（4）发生其他损坏，影响桥梁承载能力或正常使用时。
试验荷载加载控制分析是一项相当严肃的重要工作，试验人员务必认真对待，仔细观测并对比分析
5.5.3试验注意事项
（1）参与试验的全体人员要有高度责任感，在试验中认真负责，保证试验的顺利实施，保证试验数据的准确性。
（2）试验的各项工作均要听从总指挥的指令，令行禁止，以保证试验各个步骤的协调、有序、统一。
（3）车辆调度组向加载车司机申明：
严禁在桥上掉头，严禁刮擦两侧护栏。
（4）在试验中要注意安全，不得擅自行事。
尤其是塔顶测量人员更要注意，以避免不必要的事故。
（5）全体人员要注意保护桥梁结构及附属设施，不得随意破坏、挪位。
（6）试验结束后，认真清理试验现场，打扫垃圾。
（7）车况必须良好，进入试验场地前车辆应进行全面检查，试验过程不能因为车况原因而中断；
（8）应有相应的预备车辆，预备车辆需在半小时内顶替有故障的车辆，故障车辆必及时移走，即需有拖车保障；
（9）车队经理应参加试验领导小组工作会议，车队队长（2人以上）应参加车辆调度工作；
（10）车队领导应熟悉试验加载的全过程；
（11）驾驶员应进行试验前的培训，驾驶员必须清楚何种工况车辆所在位置，如何进桥，如何出桥等；
（12）车辆应根据要求进行编号；
（13）试验车辆在指定时间准时进入指定的停车场地，并及时调整车头方向；
（14）加载单位应根据试验单位提供的加载平面图提出车辆停放方案及车辆行驶路线方案；
（15）车辆在桥梁上不能调头，不能碰撞桥面构造物；
（16）严禁车辆漏油，并有相应的防漏油措施；
（17）加载车不能两辆同时并行，桥上车速小于10公里/小时，车间距不小于20米；
（18）车辆在桥头停车时应留出一条行车道；
（19）夜间连续作业，应注意安全，注意劳保。
5.6终止加载条件
发生下列情况应立即停止加载并查找原因，在确保结构及人员安全的情况下方可继续试验：
（1）控制测点实测应力、变位（或挠度）已达到或超过试验荷载计算的控制应力、挠度值时；
（2）结构裂缝的长度或缝宽急剧增加，或新裂缝大量出现，或缝宽超过允许值的裂缝大量增多时；
（3）发生其他影响桥梁承载能力或正常使用的损坏时。
5.7试验过程
（1）准备过程
试验前对桥跨结构进行全面检查，在正式加载试验之前完成了如下准备工作：
①试验前，按照试验方案的要求，对试验荷载车辆装载过磅，记录荷载车辆的原始数据（包括：
轮距、轴距尺寸，前轴、中轴+后轴的重量）以便计算分析使用。
清理桥面，标计各工况加载截面及荷载车停放位置。
②按检测方案的布置方式，对应变和挠度测点进行放样、划线；粘贴应变片时应先对各测点位置实施打磨找平并清洗干净，再进行应变片粘贴，并与应变导线以焊接形式连接，使用万用表量测，保证应变系统良好后，再做防潮处理。
为消除测试过程中大气温度变化带来的影响，每一断面处于同一温度场处，均布设温度补偿片。
同时布设挠度测点。
③进行各类传感器与测试仪器的导线连接工作，后开机调试。
检查各个应变片及机电百分表，确保处于良好的工作状态。
④进行预加载，进一步检查应变片、机电百分表及精密水准仪处于正常工作状态，一切无误后，方按试验工况进行荷载试验。
（2）荷载试验
①各工况均依次加载，按每车道试验车辆递增加载，稳定时间5～10min，以仪器实时监控读数稳定为准。
②对每一工况的每一次加载，荷载车辆加载到位后，随即关闭发动机并持续5~10min，待数据完全稳定后进行采集打印记录。
为使结构恢复弹性变形，卸载后5~10min再进行重复加载，减小塑性残余变形影响。
③现场试验中各工况保证有两次平行试验，即重复两次试验，在试验中对重要测点数据监测并及时与理论值进行对比分析，发现异常即时处理，保证结构安全。
（3）实时监控
在整个静力加载过程中，全程监控控制截面最大应变（应力）和挠度。
试验过程中未出现结构异常，确保了加载试验安全。
5.8试验结果及分析
（1）试验数据分析
试验荷载效应理论值采用桥梁结构分析专用程序Midas/Civil201计算得到。
（2）试验结果
静载试验结果包括试验工况下各测点应变值和挠度值。
5.8.1挠度
各工况试验荷载作用下各挠度测点的挠度实测值与计算值见表5-2～表5-7所示。
表5-2测挠度与计算实值对照表
工况
测点
编号
计算值（mm）
实测值（mm）
校验系数
1
1-1
2-1
2-2
3-1
3-2
4-1
4-2
5-1
塔顶
表5-3测挠度与计算实值对照表
工况
测点
编号
计算值（mm）
实测值（mm）
校验系数
2
1-1
2-1
2-2
3-1
3-2
4-1
4-2
5-1
塔顶
表5-4测挠度与计算实值对照表
工况
测点
编号
计算值（mm）
实测值（mm）
校验系数
3
1-1
2-1
2-2
3-1
3-2
4-1
4-2
5-1
塔顶
表5-5实测挠度与计算值对照表
工况
测点
编号
计算值（mm）
实测值（mm）
校验系数
4
1-1
2-1
2-2
3-1
3-2
4-1
4-2
5-1
塔顶
表5-6实测挠度与计算值对照表
工况
测点
编号
计算值（mm）
实测值（mm）
校验系数
5
1-1
2-1
2-2
3-1
3-2
4-1
4-2
5-1
塔顶
表5-7实测挠度与计算值对照表
工况
测点
编号
计算值（mm）
实测值（mm）
校验系数
6
1-1
2-1
2-2
3-1
3-2
4-1
4-2
5-1
塔顶
5.8.2应变
在试验荷载作用下各个工况相应控制截面应变（με）实测值与理论计算值如表5-8～表5-13所示。
其中应变以受拉为正，受压为负。
表5-8实测应变值与理论计算值对照表
工况
测点
编号
理论计算值（mm）
实测值（mm）
校验系数
1
1-1
1-2
1-3
1-4
1-5
1-6
1-7
2-1
2-
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