南京长江二南汊桥荷载试验 总报告 静载.docx

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南京长江二南汊桥荷载试验总报告静载

南京长江二桥南汊主桥荷载试验

试验报告

西南交通大学结构工程试验中心

二○○一年二月．

南京长江二桥南汊桥荷载试验

试验报告

§1概述

南京长江二桥南汊桥结构形式为双塔双索面扁平流线闭口钢箱梁斜拉桥，在边跨设置过渡墩和辅助墩，跨径布置为：

58.5m+246.5m+628m+246.5m+

58.5m=1238m，共计五跨。

主塔采用倒Y型空间砼索塔，总高195.41m，主梁采用扁平流线型钢箱梁，梁高3.50m，梁宽33.60m，桥面采用正交异性板，设双向2%的横坡。

全桥共用斜拉索80对（160根）。

桥跨支撑体系包括过渡墩、辅助墩及索塔处竖向、横向限位支座，形成半漂浮体系。

设计荷载等级为汽—超20，按8车道布置。

桥跨总体布置如图1-1所示。

受南京长江二桥建设指挥部委托，西南交通大学结构工程试验中心对该桥进行成桥荷载试验，试验于二○○一年一月五~十四日在南京长江二桥南汊桥现场进行。

现将试验结果报告如下。

§2试验目的

1、检验设计与施工质量，确定工程的可靠性，为竣工验收提供技术依据；

2、验证设计理论、计算方法及设计所采用的各种假设的正确性与合理性，为今后设计工作积累科学资料；

3、直接了解桥跨结构的实际工作状态，判断实际承载能力，评价桥跨结构在设计使用荷载下的工作性能；

4、通过动力试验了解桥跨结构的固有振动特性，分析其在长期使用荷载阶段的动力性能，论证其抗风、抗震性能，确定结构使用条件和注意事项。

§3试验内容

试验主要项目或内容包括：

1、已竣工结构实际状况调查，内容包括：

1）通过设计、施工和监理单位搜集了解桥梁结构竣工资料；

2）桥梁结构表观状况检查。

2、结构静力试验，主要内容包括：

1）加劲梁正交异性桥面板的工作性能及其承受局部重车作用的局部应力加载试验；

2）加劲梁控制截面在最不利设计荷载弯矩下截面应力加载试验；

试验荷载作用下斜拉索索力增量测试。

3）．

3、结构动力试验，主要内容包括：

1）脉动试验，用于测定结构固有振动特性（频率、振型和临界阻尼比）；

2）无障碍行车试验，用于测定桥面铺装层完好时运行车辆荷载作用下桥跨结构的动力反应；

3）有障碍行车试验，模拟在桥面铺装局部损伤情况下，桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力反应；

§4试验荷载

§4.1静载试验荷载

静力试验荷载采用两种载重汽车：

标准车为“东风-康明斯”，单车总重量141kN，重车为“太脱拉”，单车总重量285kN。

对每一检验项目，所需车辆荷载的数量，根据设计控制荷载产生的最不利效应值按下式所定原则等效换算而得：

Sstate?

?

1.8?

0?

0.，?

）?

S（1式中，

η为静力试验荷载效率；

Sstate为试验荷载作用下检验项目计算效应值；

S为设计控制荷载作用下检验项目的最不利计算效应值；

μ为规范采用的冲击系数。

§4.2加载方式与分级加载

为了获得结构试验荷载与变位关系的连续曲线和防止结构意外损伤，针对不同检验项目，静力试验荷载分别按1~3级加载，2级卸零；加载方式为单次逐级递增到最大荷载，然后卸到零级荷载。

对同一加劲梁断面试验，先加偏载，而后满载，最后卸零，并对主跨跨中截面加载等主要工况进行重复加载。

静力试验荷载的加载分级，主要依据试验加载车在检验项目（主要为内力）影响面内纵横向位置的不同以及加载车数量多少而分成设计控制荷载产生的该检验项目最不利效应值的50%和100%。

§4.3加载位置与加载工况

加载位置与加载工况的确定主要依据的原则是：

尽可能用最少的加载车辆达到最大的试验荷载效率，同时应考虑简化加载工况，缩短试验时间，并在满足试验荷载效率的前提下对加载工况进行适当合并，每一加载工况依据控制检验项目确定的加载工况，本次静力试验经过优化合并后，同时兼顾其他检验项目。

设置，

对应加载位置以及相应的测试断面如图4.3-1所示；所确定的加载工况以及各工况对应加载位置以及相应的检验及观测项目见表4.3-1。

表4.3-1各静力加载工况对应的检验及观测项目

工加载截检验及观测项

斜拉索索力、钢箱梁应力、梁体上、下游截加劲梁中L/I-1-1挠度、塔顶位偏）

斜拉索索力、钢箱梁应力、梁体上、下游L/截加劲梁中I-1-2及桥中线挠度、塔顶位满）

钢箱梁应力、梁体上、下游侧挠度、塔顶加劲梁南塔底截I-2-1偏）

钢箱梁应力、梁体上、下游侧及桥中线挠度、加劲梁南塔底截面I-2-2塔顶位移）

（满载斜拉索索力、钢箱梁应力、梁体上、下游侧加劲梁南辅助墩截面I-3-2

挠度、塔顶位移（满载）

§4.4静力荷载布置

§4.4.1静力加载截面布置

静力加载截面布置如图4.4-1~图4.4-2及表4.4-1所示，各工况试验荷载的效率系数见表4.4-2。

§4.4.2静力试验加载程序

1、加载?

回0；

2、零载?

工况I-1-1?

I-1-2?

回0?

I-2-1?

I-2-2?

回0?

I-3-2?

回0；

零载?

工况I-1-2?

回0。

表4.4-1

静力加载各工况加载截面及荷载布置

加载车辆荷载布置备工况加载截面注

加劲梁中跨L/2截面偏心加载7下游侧3A=21A3车道荷载I-1-1（偏载）

加劲梁中跨L/2截面对称加载6A=42A上、下游6车道荷载7I-1-2

（满载）

3A+12加劲梁南塔底截面偏心加载车道荷载下游侧3I-2-1

3B+5）（偏载3A=21A+3B

6A+12加劲梁南塔底截面车道荷载对称加载6上、下游I-2-2

6B+5）

（满载6A=42A+6B

6A+15加劲梁南辅助墩截面车道荷载上、下行6对称加载I-3-2

6B+2（满载）

6A=42A+6B

表示“太脱拉”型车。

B”型车，141表示“东风—康明斯A注：

表中的．

表4.4-2静载试验各工况荷载效率系数表

加试验荷载下的设计荷载下荷载试验加载项最大弯率系工大弯71611.7kN-m64054kN-mI-1-20.8945加劲梁中1L/截面最大弯

-60662.9kN-m0.8354-50680kN-m2加劲梁南塔截面最大弯I-2-2

-115309kN-m0.8019

加劲梁南辅助墩截面弯距3-92463kN-m

I-3-2

荷载效率系数在0.80~0.90之间。

§4.5动载试验荷载

动载试验加载采用两辆单车重285kN“太脱拉”型重车加载，两车分别在上、下行道的中间车道上与桥轴线对称同步同向行驶。

动载试验分为无障碍行车和有障碍行车。

§5试验方法

§5.1静载试验测试项目及方法

1、劲梁正交异性桥面板第二体系应力及加劲梁控制截面应力，采用在钢箱梁底板顶面和正交异性桥面底板粘贴由阻值120Ω箔式应变计组成的应变花，并由日产UCAM-70A万用数据采集系统进行应变测量，温度补偿用放置在测点附近的事先贴于小钢板上的应变花实现补偿。

每一观测截面处设一观测站。

2、斜拉索索力增量采用激励振动测定法测定；

3、加劲梁的竖向挠曲变形，由设在桥面沿桥轴线及上、下游边缘线分南北两半跨的测点按三等水准施测纲要进行闭合水准测量；

4、主塔塔顶水平变位采用测距标准差为（1mm＋2ppm）、测角标准差?

2?

的全站仪进行极坐标四测回观测，并辅以光学测定南塔塔顶指定点到固定基准点的距离加以检验；

5、加劲梁纵向位移，采用百分表测量加劲梁梁端与过渡墩之间的相对位置变化实现。

§5.2静载试验测试断面及测点布置

1、加劲梁各测试断面位置及其测点布置见图4.3-1；

2、塔顶位移及梁体挠度测点布置见图5.2-1；

3、斜拉索索力测量索号布置见图4.3-1。

§5.3静力试验数据处理方法

各加载工况下，各类数据包括应力、挠度及位移测试流程图分别见图5.3-1、。

5.3-2图

应变应变计算绘图

数据采打印机系统

图5.3-1应力测试流程

计算机绘图机观测数据

图5.3-2挠度、位移测试流程

§5.4动载试验方法

1、桥跨自振特性测试，在桥面无任何交通荷载以及桥梁附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激励而引起的桥跨结构微幅振动响应；

2、无障碍行车试验，在桥面无障碍情况下，用两辆载重车（单车自重285kN）分对称和非对称两种情况，以10、20、30、40km/h……的速度往返通过桥跨结构，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动载反应；

3、有障碍行车试验，其动载试验荷载及其作用方法与无障碍行车试验相同。

不同的是，需在桥跨结构中跨跨中截面处桥面上设置障碍物（其横断面为弓形，底宽30cm，矢高7cm）模拟桥面铺装局部损伤状态，以测定桥跨结构在不良桥面状态下运行车辆荷载作用的动载反应。

§5.5动载试验测点布置

1、脉动试验主要测记桥跨结构测点振动加速度，测点布置如图5.5-1和5.5-2所示。

2、无障碍和有障碍行车试验主要测记加劲梁的动应力和动挠度，测点布置见图4.3-1。

§5.6动载试验测试项目及测试方法

§5.6.1动载试验测试项目

1、桥跨结构自振特征测试，主要测定桥跨结构固有模态频率、振型和临界阻尼比，加劲梁的侧弯正对称一阶（f）和反对称一阶（f）、竖弯正对102称一阶（f）和反对称一阶（f）、反对称竖弯加纵漂（f、以及扭转反）143．

对称一阶（f）等振型参数。

122、主塔结构自振特征测试，主要测定主塔固有模态频率、振形和临界阻尼比。

3、无障碍行车试验和有障碍行车试验，主要测定加劲箱梁中跨跨中截面应力动态增大效应；

4、跳车试验主要测定加劲箱梁中跨跨中截面的应力动态增大效应。

§5.6.2动载试验测试方法

1、桥跨结构和主塔结构自振特性测试采用B&K伺服加速度传感器和D.P速度型传感器，配伺服放大器由磁带机或计算机记录其输出信号。

2、加劲箱梁动应力测试，采用在钢箱梁内部表面的阻值为120?

的应变计，配日产6M92型动态应变仪输出电压信号，由磁带机记录。

3、加劲梁动挠度由BJQN-4型桥梁光电挠度仪配便携计算机测记。

4、模拟磁带机测记信号，在室内间放给FFT信号处理分析仪进行频域和时域处理分析。

计算机所测记信号，直接使用专用软件处理。

§5.7动载试验数据处理方法

1、自振特性测试

采用脉动法或重车激振余振法进行自振频率测试，由加速度传感器作拾振器，经电荷放大到磁带机内，然后进行信号回放处理。

2、激振试验测试

根据对静载试验结果的初步分析，选择荷载效应大的测点作为动应力测点。

测试在各种车速及工况下动应力测点动应力，截面冲击系数采用不同行车速度动应力与基准行车速度动应力相应的增幅换算；内力影响线测试、动态增大效应也采用动应力换算的方法进行。

激振测试流程和数据处理流程分别见图5.7-1和图5.7-2。

日本三荣6M92应变片磁带机测试部位动态应变仪器

示波器激振测试流程5.7-1图

B&K2032绘图磁带计算机振动分析仪

打印机激振试验数据处理流程图5.7-2

试验设备§6

静载试验用设备§6.1

；测点＋一套20测点）1、加劲梁应力测试，采用应变测试系统（二套200；2、加劲梁的竖向挠度测试，采用全站仪（二台）；3、加劲梁端部顺桥向位移测定，采用高精度水准仪（二台）；4、塔顶位移测定，采用全站仪（二台）、温度测定，采用美国产温度测试枪；5、斜拉索索力测试，采用索力仪（二台）6；16台对讲机，以及其它辅助设备。

7、通讯联络用动载使用设备§6.2

通道动态应变仪；日产、动应变测试，用一台6M9281动态数据采集仪；2、动态数据采集，用二台美国IntchDataLog动态分析仪；、动态分析，用一台B&K30323Sony磁带记录仪；164、信态分析，用一台日本产通道磁带记录仪；通道、信号记录，用一台7TEC5B&K8201只高精度超低频加速度传感器；6、信号采集，用87、塔顶位移及桥跨振幅动挠度，用二台光电式桥梁挠度仪；UCAM、梁端位移，用二台日本产机电式位移计；8台对讲机，以及示波器等其它辅助设备。

16、通讯联络用9．

§7静载试验结果及分析

§7.1加劲梁挠度

1、满载下的加劲梁挠度及其与理论值的比较

加劲梁的挠度测点布置图见图5.2-1，静载试验满载下的加劲梁挠度及其与理论值的比较见表7.1-1~7.1-4。

表7.1-1加劲梁中跨跨中截面第1次满载实测挠度及其与计算值的比较

实测（mm）

加劲梁截试验计算校验系数（mm）位下平均上

155

1.15675963

2681.04716675

3390.90333635

4-21-4

5-430.88-37-38-38

6-960.92-91-88-84

7-2660.93-245-248-250

8-4430.96-430-421-426

9-2530.89-226-228-223

10-900.82-72-74-75

11-400.78-29-32-31

12——212

13

370.89343133

1466641.036863

15

1.12

52

55

61

58

表7.1-2加劲梁中跨跨中截面第2次满载实测挠度及其与计算值的比较

实测值（mm）

加劲梁截面试验计算值校验系数ξ（mm）位置/编号平均值上游下游1.11166555661

1.04722686971

0.95373933934

—141—0

0.88-38-435-40-35

0.92-84-88-916-96

0.92-266-251-241-2467

1.00-443-4468-441-444

0.95-240-2419-253-241

0.9710-87-87-90-86

0.9811-37-40-39-40

—120-1—-2

0.863232373213

1.006564646314

1.10

52

57

5756

15

从中跨跨中截面满载加载挠度实测结果来看：

两次数据重复性良好，结构上、下游两线挠度对称，卸载后回零良好。

说明结构整体变形处于弹性状态，除在两边跨靠近岸侧L/4测点挠度外，结构校验系数普遍在0.80~1.00之间。

挠度测量除在桥面采用三等水准精密测量外，还在加劲梁底部采用全站仪对中跨八分点和边跨三分点进行测试，由于两种测量结果相差微小，故不再单独列出。

表7.1-3加劲梁南塔截面满载实测挠度

实测（mm）

加劲梁截位上平均下

3816

-1-12-1

-27-263-25

-3145

-14-85-11

7868

1111711

1512814

119910

10101010

89119

21222

01311

01421

05

3

15

加劲梁南塔截面加载试验主要检测该截面在负弯距作用下的受力，实测最大挠度仅为27mm，故不再进行比较分析。

表7.1-4加劲梁南辅助墩截面满载实测挠度及其与计算值的比较

实测值（mm）

加劲梁截面试验计算值校验系数ξ（mm）位置上游下游平均值—13160—15

1.05-1591-162-161-153

0.88-97-94-96-1092

0.68-25-253-24-37

——4122

0.75527273627

0.90576365756

1.04757779787

—574886675

—79202937

—10-7101723

—9-7111418

—12222—

—-3-46-113

—-5-67-314

—4

-4

-5-2

15

从在加劲梁南辅助墩截面负弯距加载时的实测结果来看：

结构上、下游两线挠度对称，卸载后回零良好，说明结构整体变形处于弹性状态。

加载区域的实测挠度与计算值相近，校验系数在0.68~1.05之间，竖向支承的计算模式与结构实际受力状态有一定差异。

2、偏载下的加劲梁挠度及其与理论值的比较.

静载偏载的加劲梁挠度及其与理论值的比较见表7.1-5。

表7.1-5加劲梁中跨跨中截面偏载挠度实测值及其与计算值的比较

截面实测值位置

下游

上游校验系

β偏载系数实测值计算值

计算值

校验系

计算值实测值

（mm）

（mm）

数ξ

（mm）

（mm）数ξ

7-135

-143

0.94

-105

-1230.85

1.081.13

8-231

-238

0.97

-188

-2060.91

1.071.10

9-123

-137

0.90

-100

-1170.85

1.081.10

从中跨跨中截面偏载试验结果来看：

上、下游两线挠度实测结果均小于计算值，校验系数在0.85~0.97之间，但偏载系数实测值均大于计算值。

§7.2加劲梁横向变形

以中跨5L/8桥面中线与上、下游侧人行道内侧测点的相对高程变化，考察中跨跨中满载时加劲梁加载位置横向变形，实测相对变形值为17.5mm，如图7.2-1所示。

上游行车道侧

桥中线

下游行车道侧

（-223）

）mm

（

（位变

向竖

（-243）

-228）

横桥向坐标（cm）

图7.2-1实测加劲梁横向变形

§7.3加劲梁应力

加劲梁截面应力测点布置见图4.3-1（3）和图4.3-1（3），各工况下加劲梁截面实测应力与计算值的比较见表7.3-1~7.3-6。

表中1~5号测点为加劲梁顶板上的应变o方向和顺桥向；6~8号测点452花，每应变花的1、、3测试通道对应横桥向、o方向和竖直方向。

45321为横隔板上的应变花，其、、测试通道对应横桥向、

表7.3-1满载工况下加劲梁截面测点正应力实测值与计算值的比较应力单位：

MPa

中跨测点实测值

中跨L/2截面第1次满载

L/2截面第2次满载南塔塔底截面加载计算值校验系数实测值-23.018.950.9019.360.76-25.612.980.72-27.921.22-25.60.7919.16-23.00.830.89-19.28.45-20.7—9.06-20.7—12.15-19.20.8811.1235.21.03-16.4830.51.00-13.3935.20.95-13.39-1.03-6.80-13.60-10.92-16.27

计算值

校验系数

实测值

1-21.84

-23.0

0.95

-20.81

2-21.22

-25.6

0.83

-19.57

3-22.25

-27.9

0.80

-20.19

4-17.51

-25.6

0.68

-20.19

-21.225

-23.0

0.92

-19.16

-16.279

-19.2

0.85

-17.10

-15.6610

-20.7

-10.92—

-13.1811

-20.7

-10.09—

12-17.10

-19.2

0.89

-16.89

1338.11

35.2

1.08

36.26

0.911430.4930.527.811532.14

35.2

0.91

33.58

1627.60

30.5

0.90

32.55

30.5

1.07

1721.84

35.2

0.62

29.25

35.2

0.83

1833.99

35.2

0.97

37.08

35.2

1.05

23.9019

30.5

0.78

30.28

30.5

0.99

20

37.70

35.2

1.07

36.05

35.2

1.02

南辅助墩截面满计算校验系实测计算校验系34.8030.580.881.0917.40.9034.5838.519.31.0041.921.024.190.951.1036.5819.338.50.881.1017.430.5834.80.6318.3914.629.30.580.5116.190.5731.515.80.5818.1915.80.7731.50.5816.9914.60.7629.30.67-24.7-21.30.63-24.70.54-21.3-48.8-24.7-23.390.55-24.7-21.30.51-24.7

0.66

从应力实测数据来看：

满载下的中跨跨中截面应力结构校验系数在0.62~1.08之间，基本在合理范围内；塔底截面和辅助墩截面的顶板测点应力结构校验系数分别在1.00~1.10和0.88~0.95之间，而U型加劲肋和箱梁底板测点的结构校验系数在0.51~0.77之间，这与在计算中未考虑箱梁底部支承的局部作用，导致计算应力在顶板处偏小，在底板处偏大有关。

表7.3-2满载工况下加劲梁截面测点应力实测值

（一）单位：

MPa

测点号

点

加载及测试截面

通道

中跨L/2

截面中跨

L/2第

2次南塔塔底截面

南辅助墩截面

1

5.56

2.47

7.21

5.20

1

2

0.00

0.00

14.21

14.19

3

-21.84

-20.81

18.95

30.58

6.400.628.242.271

-9.682

2