王丁力，冯超梁，房科红，唐忠平

(1.嵊泗县城乡建设投资开发有限公司，浙江 舟山 202450；2.浙江中邑建设有限公司，浙江 宁波 315016；3.浙江科信联合工程项目管理咨询有限公司，浙江 宁波 315040；4.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410007)

1 工程概况

舟山小干二桥是舟山市市政工程中首座特大型桥梁，南起小干岛北侧，北与海天大道相交，全长1 455.2m，按城-A荷载等级设计(见图1)。主桥为150m+370m+150m双塔三跨组合梁自锚式悬索桥，最大跨径属于同类型桥梁中世界第一[1]。

图1 舟山小干二桥实景

其主桥全宽32.0m、双向4车道，主梁采用钢混组合梁结构，主梁最高为3.0m，钢结构由主纵梁(闭口箱梁)、横梁、挑梁、小纵梁组成双主梁梁格体系；桥面板采用C60预制钢筋混凝土结构，现浇缝采用C60无收缩纤维混凝土；钢梁与桥面板之间通过剪力钉连接。主塔高100.0m，矢跨比为1/6，全桥共2根主缆、双缆面，每根主缆由61股平行束组成，每股含127根φ5.0镀锌铝合金高强钢丝；全桥共75对吊索，采用销铰式；索夹为上下对合型，用高强螺栓杆连接，上下两半均采用铸钢结构，主索鞍及散索套均采用全铸式结构。该桥于2016年6月开工建设，2018年2月建造完成。

为检验该桥设计与施工质量水平，掌握该桥的实际工作性能，检验该桥结构的实际承载能力、安全性和可靠性，为竣工验收提供依据，2018年3月对舟山小干二桥悬索跨主桥组织进行成桥荷载试验。

贾毅等研究了某城市独塔悬索桥的成桥荷载试验过程，为竣工验收提供技术支撑[2]；李万恒等依托泰州长江大桥和马鞍山长江大桥荷载试验为背景，提出了三塔悬索桥荷载试验的要点[3]；郭霖华等对南京小龙湾自锚式悬索桥荷载试验的内容进行了论述[4]；史耀华对刘家峡大桥悬索桥成桥荷载试验结果进行分析并对成桥质量机型评定[5]。由于受海洋环境的特殊影响，按对称相似原则，本次静载试验选取对称结构的一半组织、动载试验按全桥长全截面组织实施。

2 有限元模拟分析

在对桥梁结构进行荷载试验前，须按实际结构状况建立三维有限元模型进行加载静力和动力模拟分析，计算出各控制截面内力最不利加载范围，确定加载轮位和试验方案。

采用MIDAS /Civil 2017有限元软件进行舟山小干二桥悬索跨主桥模拟分析和计算加载方案。建立全桥结构的等比三维模型，主纵梁(闭口箱梁)、横梁、挑梁、小纵梁均采用梁单元，桥面板采用板单元，主缆和吊杆采用索。主缆的端头锚固处和主塔塔底为固结，主缆在塔顶主鞍中心处按永不脱离点考虑，主缆与吊杆、吊杆与横梁的连接采用共节点模拟约束，加劲梁梁端纵向位移和转角均为自由，仅有竖向约束。结构自重由MIDAS /Civil 2017自动考虑，车道荷载按移动荷载施加，二期恒载等静力荷载均采用梁单元荷载。有限元模型如图2所示。

图2 舟山小干二桥悬索跨主桥有限元模型

3 静载试验

桥梁结构静载试验为无破坏性试验，是将静止的车辆荷载作用在桥梁指定断面位置(见图3)，测试桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝、索力增量等关键参数，再将实测值与理论值进行对比分析，综合判定桥梁结构的承载力和在荷载作用下的工作性能。

图3 舟山小干二桥悬索跨主桥静载试验主要控制断面(单位：m)

3.1 试验工况和加载效率

根据规范[6]规定，结合舟山小干二桥悬索跨主桥的结构特点，本次静载试验共设定5个试验工况，如表1所示。为确保试验过程中结构安全和顺利实现试验目的，参照文献[7]，本次静载试验的试验荷载按荷载效率进行控制，主要工况的荷载效率取值范围为0.85≤ηs<1.05，索力增量工况的荷载效率取值范围为0.50≤ηs<0.65。

表1 静载试验工况和荷载效率

3.2 测点布置

测点布置主要包括结构应变测点及桥面、主塔和主缆的变形(挠度)测点两部分。

3.2.1工况1测点布置

1)应变测点 在靠小干岛侧的2个主塔塔脚自承台往上6m处断面上纵桥向对称布置12个振弦式应变计，均采用振弦式应变仪测量。测点布置和编号方式如图4所示。

图4 塔脚(E—E断面)应变测点布置

2)变形测点 塔顶偏位测点为上游2个主塔顶各安装1个反光棱镜，共2个；主缆挠度测点为在主缆2个边跨跨中位置，中跨1/4L，3/8L，1/2L，5/8L，3/4L处各安装1个反光棱镜，共7个；均采用徕卡1201测量机器人测量。测点布置和编号方式如图5所示。

3.2.2工况2～4测点布置

由于舟山小干二桥悬索跨主桥的断面形式通长一致，因此工况2～4的测点布置图相同，仅以工况2的测点布置图为例进行说明。

1)应变测点 主梁采用钢混组合梁结构，有如图5a(全钢结构)和图5b(钢梁+预制钢筋混凝土桥面板)所示2种断面形式，本次试验选取此两种典型断面布设应变测点。为较准确反映断面受力特性，钢结构的单点测点采用振弦式应变计共计29个，混凝土桥面板采用45°应变花共计6片。数据采集时应变花按单条编号读数，分析时按每片花(3片)合并计算。测点布置和编号方式如图5所示。

图5 工况2～4断面应变测点布置

2)挠度测点 中跨挠度测点按两侧栏杆和中间隔离栏分为3条纵向测线，每条测线按八分点布设桥面挠度测点，共布设27个测点。采用电子水准仪配合铟钢尺测量，每次测量的基点均在桥梁伸缩缝外。

3.2.3工况5测点布置

根据加载影响线包络图，选取靠近小干岛侧主塔附近的上、下游5对共10根吊杆进行索力增量测试，分别是近小干岛侧主塔的边跨靠第1对和第2对，靠近小干岛侧主塔的中跨第1～3对。吊杆编号为上游SS2，SS1，SM1，SM2，SM3，下游XS2，XS1，XM1，XM2，XM3。测量仪器为索力动测仪，测量方法为振动频率法。

3.3 试验条件和试验方法

鉴于舟山小干二桥为跨海大桥，受海洋天气影响大，本次荷载试验选取在夜间无雾、昼夜温差变化小的2018年3月29日23：00至次日6：00近乎恒温条件下进行。

本次试验均采用对称加载方式，单台车辆重30t左右。工况1，2的试验车辆均为36辆，工况3～5的试验车辆均为18辆。

正式试验前，组织12辆试验车对桥面板进行3次预压，每次预压时间≥30min，用于消除结构非弹性变形。正式试验时，分6～8级加载，4～6级卸载。加载过程中，安排专人巡视结构各部位裂缝(焊缝)变化、接头(后浇带)拉裂、结构异常响动等现象，每次加载和卸载过程中记录大气温度变化，用于温度修正。

3.4 静载试验数据分析

本次静载试验的记录方式为应变正值为受压、应变负值为受拉，挠度正值为下沉、挠度负值为上抬，主塔偏位正值为沿纵桥向向小干岛侧偏移、负值为沿纵桥向向本岛侧偏移。

3.4.1工况1静载试验数据及分析(见图6和表2)

图6 工况1静载试验数据对比

表2 工况1满载下主塔纵向位移对比

工况1中塔脚截面应变校验系数为0.76～0.84，均<1，残余应变比范围为0.06～0.12，满足≤0.2要求，表明所测结构强度达到设计规范要求。

工况1中主缆挠度校验系数为0.79～0.84，均<1，残余变形比范围为0.03～0.16，满足≤0.2要求；主塔塔顶偏位校验系数为0.54和0.43，均<1，残余变形比范围为0.05和0.04，满足≤0.2要求，表明所测结构刚度达到设计规范要求。

3.4.2工况2静载试验数据及分析(见图7)

图7 工况2静载试验数据对比

工况2应变校验系数为0.57～0.85，均<1；残余应变比范围为0.04～0.19，满足≤0.2要求，表明所测结构强度达到设计规范要求。

工况2桥面挠度校验系数为0.77～0.85，均<1；残余变形比范围为0.03～0.19，满足≤0.2要求，表明所测结构刚度达到设计规范要求。

3.4.3工况3静载试验数据及分析(见图8)

图8 工况3静载试验数据对比

工况3应变校验系数为0.74～0.86，均<1；残余应变比范围为0.06～0.17，满足≤0.2要求，表明所测结构强度达到设计规范要求。

工况3桥面挠度校验系数为0.75～0.86，均<1；残余变形比范围为0.02～0.19，满足≤0.2要求，表明所测结构刚度达到设计规范要求。

3.4.4工况4试验数据(见图9)

图9 工况4静载试验数据对比

工况4应变校验系数为0.57～0.85，均<1；残余应变比范围为0.04～0.17，满足≤0.2要求，表明所测结构强度达到设计规范要求。

工况4桥面挠度校验系数为0～0.89，均<1；残余变形比范围为0～0.17，满足≤0.2要求，表明所测结构刚度达到设计规范要求。

3.4.5工况5索力增量数据及分析(见表3)

由表3可得出，在车辆静力满载作用下，实测的索力增量均小于理论索力增量且数值较接近，索力校验系数均<1，表明吊杆安全系数富余，结构处于安全可靠状态。

表3 索力增量数据

3.5 裂(焊)缝和结构异响监测

在静载试验前后及试验期间，对试验跨的钢结构焊缝和混凝土裂缝进行检查，未发现钢结构焊缝脱焊或表面裂纹情况，主要受力结构未出现异常响动、失稳、扭曲、晃动等异常现象，整个试验过程结构无明显异常现象，试验过程顺利。

4 动载试验

桥梁结构是一个多变量的复杂系统，当结构出现开裂、断裂、尺寸变化等物理特性变化时，其固有频率、阻尼比、振型图、动力冲击系数等动参数也会发生变化。

动载试验是利用车辆激振方式激起桥梁结构振动，测定桥梁结构固有频率、阻尼比、动应变等参数特性，从而宏观判定桥梁结构的整体刚度和成桥质量，这是成桥验收的关键环节之一。本次动载试验包括脉动试验和跑车试验2项试验内容，在静载试验完成后的当晚组织进行。

4.1 脉动试验

脉动试验是用高灵敏度的拾振器和放大器测量桥梁结构在环境激励下的振动，通过对拾振器拾取的响应信号进行频谱和模态分析，得出桥梁的自振频率、阻尼比和振型图。

4.1.1试验方法

2个边跨分别按四分点、中跨按八分点，在车行道靠非机动车道的两侧各布设17个竖向拾振器，拾取桥梁结构在大地脉动作用下的振动响应，单次采样时间30min，采样频率为51.2Hz。分析得出的前5阶自振频率和阻尼比如表4所示，并选取作为成桥验收关键指标的前3阶振型，如图10～12所示。

图10 第1阶振型

表4 前5阶自振频率和阻尼比

4.1.2试验数据及分析

图11 第2阶振型

图12 第3阶振型

由表4得出，舟山小干二桥悬索跨主桥前5阶固有频率实测值均大于理论计算值；从图10～12得出，前3阶的实测振型图与理论振型图形状吻合较好，表明该桥的实际刚度大于设计刚度，成桥状况与设计状况较接近。

4.2 跑车试验

4.2.1试验方法

本次跑车试验在桥面无任何障碍的情况下，选用2辆30t试验载重汽车分别以30，40，50km/h的均匀速度通过测试桥跨，以测定该桥在各种行车速度下跨中截面梁底动应变的时程响应曲线，如图13所示。测试时实施交通管制，仪器采样频率为100Hz。

图13 跑车试验各车速下动应变时程响应曲线

4.2.2试验数据及分析

由图13得出，舟山小干二桥悬索跨主桥在30，40，50km/h车速下，实测的冲击系数分别为1.024，1.031，1.029，参照规范[8]计算得出理论冲击系数为1.05。实测的冲击系数小于理论冲击系数，表明桥面平整度均较良好，成桥质量好。

5 结语

1)静载试验中工况1～4的应变校验系数为0.57～0.86，均<1，残余应变比范围为0.04～0.19，满足≤0.2要求，表明所测结构强度达到设计规范要求。

2)静载试验中工况1～4的挠度校验系数为0～0.89，均<1；残余变形比范围为0～0.19，满足≤0.2要求，表明所测结构刚度达到设计规范要求。

3)静载试验中工况1的主塔塔顶偏位校验系数为0.54和0.43，均<1，残余变形比范围为0.05和0.04，满足≤0.2要求；静载试验中工况5的实测索力增量均小于理论索力增量，索力校验系数均<1，表明吊杆安全系数富余，结构处于安全状态。

4)脉动试验测定的前5阶固有频率实测值均大于理论计算值，前3阶的实测振型图与理论振型图形状吻合较好；以30，40，50km/h跑车试验测定的冲击系数均小于理论冲击系数。这表明舟山小干二桥悬索跨主桥成桥状况与设计状况较接近，桥面平整度良好，成桥质量好。