中承式拱橋荷載試驗

□文/莊洪亮 劉躍進

□劉躍進/洛陽市市政工程公司。

中承式拱橋荷載試驗

□文/莊洪亮 劉躍進

瀛洲大橋建筑結構新穎、造型獨特。由于理論分析模型與實際結構之間存在材料、邊界條件差異，施工方法與施工工藝，環境等諸多因素的影響，使得結構設計階段所預示的大橋結構特性、工作狀態與實際的結構特性、工作條件之間仍然存在差別。因此，只有通過結構現場試驗、分析等手段對建成的大橋進行驗證，為今后類似橋梁設計提供經驗和資料；通過工程現場荷載試驗以試驗數據評價工程的設計施工質量。文章對試驗內容、外觀檢查及基本數量的量測、靜載試驗、動載試驗和荷載試驗結論分別進行了介紹。

洛陽瀛洲大橋；荷載試驗；結構

1 工程概況

洛陽瀛州大橋全長1160m，主橋橋長610m，引橋橋長550m。全橋下部結構為鉆孔灌注樁及鋼筋混凝土實體墩，上部結構共分為3大部分，即主橋主跨為跨徑120m帶懸臂剛架的中承式鋼管混凝土系桿拱橋，主橋邊跨為3×50m帶懸臂半孔加體外索自平衡無推力上承式鋼筋混凝土箱型拱橋，兩岸引橋為預應力鋼筋混凝土連續箱梁結構。

2 試驗目的

瀛洲大橋建筑結構新穎、造型獨特。由于理論分析模型與實際結構之間存在材料、邊界條件差異，施工方法與施工工藝，環境等諸多因素的影響，使得結構設計階段所預示的大橋結構特性、工作狀態與實際的結構特性、工作條件之間仍然存在差別。因此，只有通過結構現場試驗與分析等手段對前階段的工作成果進行驗證或補充，才能更全面了解大橋主跨結構或特殊結構的技術性能，掌握其在運營荷載作用下的工作狀況，從而直接判斷橋梁結構的實際承載力，為大橋的運營管理與養護決策提供依據。

3 靜載試驗

3.1 靜載試驗的主要內容

靜載試驗是橋梁荷載試驗的主要內容。通過靜力加載試驗測定在最不利工況荷載作用下主要控制截面的應力和變形以及結構關鍵部位應力，可以對于橋梁的受力狀態、結構承載力進行分析判斷。

試驗之前采用橋梁空間線性與非線性分析程序MIDAS/CIVIL2006按梁格法建立空間有限元模型。根據大橋設計荷載，計算整體結構的彎矩包絡圖、剪力彎矩包絡圖，確定主拱、拱腳等主要部位最大彎矩、最大剪力等受力狀態。全橋共劃分為7片縱梁，370個節點，413個單元,見圖1。

根據大橋梁變形及受力特點，靜力加載試驗的測量項目：主跨縱梁八分點斷面上撓度；主梁既作為整體受力構件又受局部荷載作用時L/2截面各部位應力狀態；拱腳的拱座斷面、三角區、拱肋控制截面的應力狀態；吊桿和體外索內力增量。

荷載試驗需要確定加載車輛的配置。本橋設計荷載為城市-A級，試驗時模擬相應截面處設計荷載產生內力效應較大值的布載方式進行加載，試驗選用相當公路規范中汽車-20級荷載中的重車（300kN）作加載車輛。根據設計標準活載產生的工況下的最不利效應值按照荷載效率系數換算得到，靜載試驗共需要300 kN標準車12輛。

各工況對應加載位置見表1。

表1 瀛洲大橋靜載試驗工況匯總

續表1

由表1可知，靜載試驗各工況下的荷載效率系數均滿足規范規定0.8～1.05的要求。

3.2 靜載試驗實施

1）應變測量

靜載試驗中控制截面的應變測量分為2種情況。主梁跨中鋼梁截面、主跨南拱腳的拱座外包鋼板截面粘貼電阻式應變片進行應變測量；主跨主拱肋、副拱肋、三角區、部分邊跨截面結合施工監測中的預埋的振弦應變儀，采用振弦應變儀進行應變測量。

2）索力測量

靜載試驗中吊桿索力內力增量采用振動法測試，儀器與成橋狀態索力測量所用儀器相同。

3）撓度測量方法

豎向位移采用精密水準測量要求進行觀測動態數據測量方法。

3.3 靜載試驗數據分析

1）大橋豎向撓度測量結果

在靜載工況下橋面撓度的實測值與理論計算值吻合較好；各工況下主跨中測點的上下游撓度差值均在3～5mm之間，處于合理范圍之內；邊跨各工況下的撓度測試值與理論值吻合較好；除個別測量點外，大部分撓度校驗系數＜1。

2）豎吊桿索內力增量測量結果

在靜載工況下實測值與理論計算值吻合較好，19根吊桿索力增量中有16根次索的實測值與理論計算值誤差＜15%；從整體上看測量值與設計值的差值無規律性，正負差值的分布是隨機的；說明在試驗荷載作用下，吊桿受力合理，符合結構受力特點。體外索索力測量與設計值相吻合，這是由于體外索張力在設計上沒予以太大的張拉力。

3）主梁斷面應力測試結果

主跨L/2應力測試斷面箱梁頂板應力，從整體上看，由荷載引起的箱梁頂板的彎曲正應力沿梁寬分布比較均勻，箱梁兩側和中央處應力較梁寬四分點處的應力要略大一些，應力呈“M”形分布。其主要原因，一是剪滯效應使靠近腹板處的應力比遠離腹板地方的應力要大；二是箱梁橫坡使箱梁中央頂板離開箱梁斷面的中性軸的位置較其他地方遠，兩者作用疊加斷面上的應力就成“M”形分布。當荷載偏心作用時，作用荷載一側的頂板應力較無荷載作用一側頂板應力只稍大一點。比較應力的測試值與計算值，不同加載方式時，測試值與計算值比較接近。

4）三角區的應力計算與測量結果

在整個結構受力體系中，變截面倒三角區鋼架的受力最為復雜，通過試驗可以看出實測應力值與計算應力值較好符合。在各工況作用下，承臺上端與邊跨連接支承處最大壓應力為-3.6MPa，橋面上端與主拱連接處最小應力為0。鋼管拱座應力測量分析實測結果與模型計算相吻合。

5）鋼管拱拱肋應力測試結果

從應力的分布來看，在工況2時，拱肋處最大應力為20.6MPa，最大應力的位置在副拱肋靠近上側的位置；最小應力為2.2MPa，出現在主拱肋的拱圈處。在工況3下，拱肋處最大應力為-53.4MPa，最大應力的位置在副拱肋靠近下側的位置；最小應力為2.2MPa，出現在主拱肋的拱圈下側處。相對于內填混凝土的主拱肋來說，副拱肋的應力分布梯度較大，這也是空心鋼管承載力不穩定的一個表現。而主拱肋受軸向壓力作用時，由于混凝土的存在提高了薄壁鋼管的屈曲臨界力，對于該區域有較多的安全儲備。

由于主拱肋為鋼管混凝土，而副拱肋為鋼管，所以主拱肋的面積和抗彎剛度遠大于副拱肋，雖然主拱肋荷載大于副拱肋荷載，但主拱肋的鋼管應力仍小于副拱肋。

4 動載試驗

4.1 模態試驗

橋梁的振動模態參數包括振動頻率、振型和阻尼系數，是反映橋梁自身動力特性和狀況的重要參數。當結構的剛度、質量或阻尼發生變化時，結構的模態參數將隨之發生變化。

1）結構的模態，通常可通過有限元計算和試驗模態分析2種方法獲得。

2）模態試驗基本步驟與測點布置。采用環境激勵法進行振動測試。選擇測量斷面：將箱梁主跨22等分，共選取23個測量斷面，每一斷面上按上游垂直、下游垂直方向各布置一個振動傳感器；測試時，上游垂直、下游垂直方向各選取一個固定測點作為參考點，分4組分段測試記錄各測點時域振動信號；采用振動模態分析專用軟件對全部信號進行整體分析，得到箱梁前10階振動模態參數。

第1階振型為拱肋反對稱階側彎.第2～3階振型為主梁振動，第2振型為主梁1階對稱豎彎，第3階振型為主梁2階對稱豎彎，這兩階振型的最大振幅均在跨中附近。第4～9階振型為拱肋振動，第4階振型為拱肋2階反對稱側彎，拱肋1/4和3/4處振動幅度較大；第5階振型為拱肋2階反對稱豎彎；第6階振型為拱肋3階反對稱豎彎，拱肋反對稱時拱肋1/4和3/4及拱頂處振動幅度較大；第7階和第9階為拱肋反對稱豎彎，反對稱時兩側拱腳和三角區兩端振幅均較大，正對稱時兩側拱腳、拱頂和三角區兩端振動幅值較大；第8階振型為拱肋1階扭轉，可以看到拱肋在1/4和3/4及拱頂處振動幅度較大。第10階振型為拱肋2階扭轉加之主梁2階反對稱豎彎的復合振型，同樣的可以看到拱肋在1/4和3/4及拱頂處振動幅度較大，同時在這兩位置的吊桿振動幅值也較大。

通過結構動力特性結果與振型分析表明，瀛洲大橋主跨結構振型復雜，主橋的豎向剛度和橋面的側向剛度較強，而鋼管混凝土拱肋的面外剛度相對較弱；振幅值較大點一般在拱頂、拱肋1/4和3/4處、拱腳、短吊桿處，另外還有三角區兩端和幾個邊吊桿振動幅值也相對較大。實測橋面結構固有振動頻率及振型階次與理論計算值較為吻合，說明大橋實際的動力學特性與理論預測接近。大橋在環境振動下測得的振動頻率比理論稍大，說明實際結構動力剛度大于計算值。

4.2 動力荷載試驗的內容

1）行車試驗

采用 2輛 30t主車分別以 10、20、30、40km/h的速度勻速通過橋跨結構，利用速度傳感器測量結構的豎向速度-時程曲線，積分求得結構的動位移-時程曲線，以測得橋梁在行車條件下實測沖擊系數平均值。

2）剎車試驗

采用 2輛 30t主車分別以 10、20、30、40km/h的速度勻速行駛至中跨跨中斷面時實施緊急剎車，使其產生較大的制動力并對橋梁形成一定的沖擊作用，測定跨中截面測點的豎向振幅響應。

3）跳車試驗

在橋梁跨中截面處設置高7cm的弓形障礙物，模擬橋面鋪裝的局部不平整或損傷狀態。采用采用2輛30t主車分別以10、20、30、40km/h的速度勻速通過橋跨結構，在跨越障礙物時對橋梁形成沖擊作用，激起橋梁較大的豎向振動。測定此時橋梁在橋面不良狀態時運行車輛荷載作用下的動態響應。

4.3 動載試驗測試結果

1)無障礙跑車試驗

測試結果表明，小型車輛以低速（＜40km/h）正常行駛時，引起的橋面動態位移增量不大，位移動態放大系數＜1.05（中跨跨中）；低速正常行駛時，位移動態放大系數與行車速度無明顯關系。這主要是由于大橋結構自重大、橋面剛度比較大的原因。

試驗車輛以低速（＜20km/h）正常行駛時引起的橋面的動態位移增量不大，位移動態放大系數＜1.1（中跨跨中）；重型車輛以中速（＞30km/h）行駛時，橋面的位移動態放大系數＜1.3（中跨跨中）。

2）有障礙跳車試驗

測試結果表明，當重型車輛以10km/h跳過行駛障礙物時，引起的橋面動態位移放大系數達到1.7～1.8（中跨跨中）。重型車輛跨越障礙物時對橋梁有很大的沖擊作用。

3）無障礙行車剎車試驗

無障礙行車剎車試驗結果表明，重型車輛以低速（＜20km/h）行駛剎車時引起沖擊效應不明顯，橋面動態位移增量1.2（中跨跨中）；重型車輛以＞30km/h行駛時，橋面的位移動態放大系數＜1.3（中跨跨中）。

5 試驗結論

1）瀛洲大橋成橋狀態橋梁特征點幾何位置的測量結果以及恒載作用下吊桿的測量結果分析表明，大橋施工工程符合設計要求。

2）瀛洲大橋結構靜動力性能試驗結果的分析與設計值一致，具有承受預定設計荷載的足夠的強度和剛度。

U445

C

1008-3197（2011）03-58-03

2010-11-05

莊洪亮/男，1972年出生，高級工程師，天津市路馳建設工程監理有限公司，從事工程監理工作。

□劉躍進/洛陽市市政工程公司。