中山市歧江三橋橋梁靜動載試驗研究

張永厚，張永峰

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081;

2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，北京 100081)

1 基本情況

1.1 工程概況

中山市歧江三橋位于中山市博愛路，跨越歧江水道，主橋為41 m+125 m+41 m中承式無風(fēng)撐式鋼筋混凝土系桿拱橋(如圖1所示)，過渡孔為27.5 m預(yù)應(yīng)力混凝土組合式簡支箱梁，東西兩側(cè)引橋分別為10×16 m和12×16 m先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，橋梁總長617 m，橋面寬度為40 m。主車道為雙向六車道，外側(cè)設(shè)非機(jī)動車道和人行道。

1.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

荷載等級:汽超—20，掛—120，人群—3.5 kPa。

設(shè)計車速:80～100 km/h。

圖1 中山市歧江三橋主橋結(jié)構(gòu)圖(單位:cm)

1.3 主橋結(jié)構(gòu)形式

主橋結(jié)構(gòu)形式為中承式無風(fēng)撐式鋼筋混凝土系桿拱橋，中孔矢跨比為1∶5，邊孔矢跨比為1∶11.14，拱肋軸線為二次拋物線，拱肋截面為矩形鋼箱，僅內(nèi)外腹板間灌注C30混凝土，肋寬均為2.5 m，肋高按二次拋物線變高，中孔肋高為2.5～3.5 m，邊孔肋高為2.0～2.5 m。主橋兩側(cè)共設(shè)吊桿36根，立柱20根，間距為 5 m，每根吊桿由199φ 5 mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲形成扭紋形截面，錨具采用冷鑄墩頭錨。主橋系桿采用20束12φ 15.24 mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨具為QMl5－12型錨，系桿在主橋范圍內(nèi)用鋼盒包裹。橋面系由鋼縱梁、橫梁及鋼筋混凝土槽形板組成，每兩根吊桿吊一根橫梁，每兩根橫梁之間設(shè)39塊槽形板，主橋基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，樁徑為φ 1.8 m和φ 1.2 m兩種。

2 試驗內(nèi)容和測點(diǎn)布置

2.1 靜載試驗

靜載試驗包括結(jié)構(gòu)變形觀測和截面應(yīng)力測試，測試方法及測點(diǎn)布置如下所述:

1)結(jié)構(gòu)變形觀測

① 撓度:在橋跨南側(cè)跨中、四分點(diǎn)、八分點(diǎn)防撞欄上布置測點(diǎn)，北側(cè)跨中、四分點(diǎn)處防撞欄上布置測點(diǎn)，用高精度全站儀觀測橋梁在各級荷載作用下的撓曲線。

② 拱頂橫向位移:在兩個拱肋拱頂安裝測點(diǎn)，測試各級荷載作用下拱頂?shù)臋M向偏位。

③ 吊桿伸長量:在南側(cè)拱肋跨中吊桿布置測點(diǎn)，用百分表測試跨中吊桿的伸長量。

④ 橋墩位移:在主跨南側(cè)兩端的橋墩上布置測點(diǎn)，測試墩頂?shù)目v向水平位移及沉降。

2)應(yīng)力測試

在南側(cè)拱肋的拱腳、拱頂、四分點(diǎn)及北側(cè)拱肋的拱頂和拱腳5個主要截面布置測點(diǎn)，測試各級荷載作用下的截面應(yīng)力。應(yīng)力測試采用進(jìn)口高精度、抗干擾能力強(qiáng)的鋼鉉式應(yīng)變計。

2.2 動載試驗

通過動載試驗確定橋梁的動力效應(yīng)及使用條件，包括測定橋梁的動力特性如自振頻率、振型阻尼系數(shù)等;測定橋梁在車輛動載作用下的強(qiáng)迫振動響應(yīng)，如振幅、動應(yīng)力、動撓度和沖擊系數(shù)等。動載試驗內(nèi)容包括:①行車試驗:單輛車和兩輛并行車分別以10～80 km/h的速度通過橋梁，測試橋梁的動應(yīng)變、動撓度和振動響應(yīng)。②跳車試驗:單輛車在橋梁跨中截面處越過高10 cm的三角墊木，測試橋梁的垂直振動響應(yīng)。③脈動試驗:測試結(jié)構(gòu)在環(huán)境振動下的微小振動響應(yīng)，分析橋梁的自振特性(自振頻率、振型阻尼特性)。

3 加載內(nèi)容和加載圖式

加載內(nèi)容主要有三項:①拱頂截面最大內(nèi)力加載;②拱腳截面最大內(nèi)力加載;③拱肋四分點(diǎn)截面最大內(nèi)力加載。

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3.1 拱頂截面最大內(nèi)力加載

用6臺30 t重車按圖2所示位置按四級加載逐級遞加至最大設(shè)計荷載:①I級加載加1#、2#車;②Ⅱ級加載再加3#、4#車;③Ⅲ級加載再加5#車;④Ⅳ級加載再加6#車。卸載一次全卸。

圖2 拱頂截面最大內(nèi)力加載圖式(單位:m)

3.2 拱肋四分點(diǎn)截面和拱腳截面最大內(nèi)力加載

由于拱肋四分點(diǎn)截面和拱腳截面最大內(nèi)力影響線形狀相似，所以將這兩個截面的加載調(diào)整到一起一次完成。加載按圖3所示位置，分四級逐級遞加至最大設(shè)計荷載:①Ⅰ級加載加7#、8#車;②Ⅱ級加載再加1#、2#、3#車;③Ⅲ級加載再加 4#、5#車;④Ⅳ級加載再加6#號車。卸載一次全卸。

經(jīng)計算得三個截面的荷載效率系數(shù)如表1所示，表1數(shù)據(jù)反映荷載效率系數(shù)滿足試驗規(guī)范要求。

表1 三個主要測試截面荷載效率系數(shù)

4 靜載試驗結(jié)果及分析

4.1 結(jié)構(gòu)變形觀測

1)撓度:試驗中測試了在各種加載工況下橋面的撓曲線。現(xiàn)給出由南側(cè)橋面布置的撓度測點(diǎn)繪出的拱頂截面最大內(nèi)力試驗加載時橋面板的撓曲線，同時給出在此工況下的計算撓曲線，如圖4所示。

圖4 拱頂截面最大內(nèi)力加載時橋面板撓曲線

從圖4可以看出，實測撓曲線與計算撓曲線形狀完全一致，只是數(shù)值大小的差異，橋面撓度校驗系數(shù)為0.44，屬于正常范圍。

2)拱頂橫向位移:在拱頂截面最大內(nèi)力加載時，南北兩側(cè)拱頂實測橫向位移分別為0.5 mm和0.2 mm。由于偏心加載的原因，南側(cè)拱肋橫向位移要大于北側(cè)，而且同時向南偏移，數(shù)值與理論計算值0.574 mm相近。

3)吊桿伸長量:在拱頂截面最大內(nèi)力加載工況中，測得南側(cè)拱肋跨中吊桿的伸長量為4.7 mm。理論計算這一工況下吊桿伸長量為7.7 mm，校驗系數(shù)為0.61，屬于正常范圍。

4.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力測試

圖5給出了各個加載輪位作用下，主拱各主要截面的應(yīng)變和應(yīng)力測試結(jié)果。試驗結(jié)果表明，主拱各主要截面在各級荷載作用下應(yīng)變呈線形關(guān)系，同級荷載下的截面應(yīng)變呈線形分布，應(yīng)力幅值也不大，說明應(yīng)力分布較均勻，受力比較合理。從拱肋應(yīng)力狀態(tài)來看，其處于線彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)受力滿足設(shè)計要求，有足夠的安全保證。

圖5 各種加載工況下拱肋主要截面的應(yīng)變分布

5 動載試驗結(jié)果及分析

5.1 行車試驗分析

行車試驗的主要目的是測試拱頂及1/4拱肋處動應(yīng)力，橋梁跨中、1/4、3/4跨處垂直振動及拱頂?shù)臋M向振動。行車試驗先采用單輛車從一側(cè)行車方向以15～40 km/h的速度往復(fù)行駛，再采用兩輛車并排以相同速度往復(fù)行駛。實測拱頂及1/4拱肋處的動力系數(shù)K值如表2所示，實測橋梁跨中、1/4、3/4跨處垂直振動與速度的關(guān)系如圖6所示。

表2 不同速度下拱頂及1/4拱肋處的動力系數(shù)K值

1/4拱肋 1.197 1.284 1.26l 1.19l 1.187 1.186 1.163 1.152實測結(jié)果表明，兩輛車并排行駛引起的橋梁振動幅值和動力系數(shù)要比單輛車行駛時小，其原因是，一方面由于試驗車輛為30 t自卸車，其動力性能比較差，另一方面說明橋梁的自振頻率較低，低頻振動模態(tài)較多，與試驗車輛有耦合作用。

圖6 實測橋梁跨中、1/4、3/4跨處垂直振動振幅與速度關(guān)系

5.2 橋梁自振特性分析

橋梁自振特性主要通過跳車試驗和脈動試驗來分析，通過跳車試驗的余振波形和脈動試驗的分析，用自功率譜分析得出某一測點(diǎn)處的自振頻率;通過互功率譜分析得出結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)，最后得出橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性，如表3所示。

表3 橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性 Hz

6 結(jié)論

通過對中山市歧江三橋靜動載試驗的測試及結(jié)果分析，可以得出如下結(jié)論:

1)實測橋面撓曲線與計算撓曲線形狀完全一致，只是數(shù)值大小的差異，撓度校驗系數(shù)為0.44，屬于正常范圍。

2)實測南、北兩側(cè)拱頂橫向位移在拱頂截面最大內(nèi)力加載時分別為0.5 mm和0.2 mm，與理論計算值0.574 mm接近。

3)跨中吊桿相對伸長量在拱頂截面最大內(nèi)力加載工況下為4.7 mm，理論計算值為7.7 mm，校驗系數(shù)為0.61，屬于正常范圍。

4)各種加載工況下墩頂位移的最大值僅0.9 mm，說明兩側(cè)拱腳處墩柱的剛度很大，足以抵抗水平推力的作用。

5)通過對拱肋主要截面的應(yīng)變測試與分析可知，在各種加載工況下，各截面應(yīng)變沿高度呈線性分布，最大內(nèi)力加載工況下應(yīng)力值不大，且分布較均勻，拱肋處于線彈性工作狀態(tài)。

6)結(jié)合對橋梁結(jié)構(gòu)動力性能的分析，認(rèn)為中山市歧江三橋受力狀態(tài)是合理的，橋梁結(jié)構(gòu)安全儲備較大，拱肋處于線彈性工作狀態(tài)，可繼續(xù)安全運(yùn)營。

［1］劉羽宇，葛玉梅，高玉峰，等.廈門 BRT一期工程鋼箱梁橋靜動載試驗研究［J］.鐵道建筑，2010(3):7－10.

［2］鐵道科學(xué)研究院佛山院.中山市沙崗立交橋靜動載試驗報告［R］.佛山:鐵道科學(xué)研究院佛山院，1999.