大跨飛燕式異型拱橋試驗(yàn)研究

王國安，李德慧

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木學(xué)院，石家莊 050043;2.江西交通科學(xué)研究院，南昌 330036)

1 工程概況

章江大橋位于江西贛州，連接西岸章江新城和東岸河套老城，由西岸引橋，章江主橋、東岸引橋組成，全長1 352 m，設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)，雙向六車道。章江大橋的引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁;主橋采用了3跨飛燕式異型拱橋的結(jié)構(gòu)形式。主橋的總長為254 m(48 m+158 m+48 m)，橋面總寬達(dá)到了34 m(2.75 m人行道+11.75 m行車道+5 m拱肋區(qū)+11.75 m行車道+2.75 m人行道)，下部構(gòu)造4個(gè)橋墩，20號(hào)、23號(hào)為交接墩，21號(hào)、22號(hào)為主墩橫橋向V形框架結(jié)構(gòu)、墩頂設(shè)系梁連接，橋墩基礎(chǔ)采用梅花形布置群樁基礎(chǔ)。主橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 章江大橋主橋結(jié)構(gòu)立面(單位:cm)

章江大橋主橋?yàn)轱w燕式異型拱橋，主跨達(dá)158 m，主拱鋼管直徑為1.8 m，鋼管厚度為26 mm。章江大橋工程總投資3.1億元，2007年11月29日開工建設(shè)，于2010年1月31日竣工。鑒于該異型鋼管拱橋跨度和主拱鋼管直徑都較大，為了獲取該飛燕式異型拱橋真實(shí)的工作狀態(tài)和實(shí)際的受力性能，竣工后對(duì)大橋進(jìn)行了靜、動(dòng)載試驗(yàn)和相關(guān)分析。

2 試驗(yàn)?zāi)康呐c測試內(nèi)容

章江大橋主橋是國內(nèi)少見的大跨度飛燕式異型拱橋，受力比較復(fù)雜，因此必須在成橋后通過試驗(yàn)測定橋梁在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，并進(jìn)行分析對(duì)比理論結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷試驗(yàn)荷載下結(jié)構(gòu)的靜力受力性能和動(dòng)力性能，進(jìn)而判定在實(shí)際使用狀態(tài)下，大橋的承載能力是否符合設(shè)計(jì)要求［1～3］，從而為橋梁的正常使用提供指導(dǎo)，并為同類橋梁的設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收評(píng)定提供參考。

靜力荷載試驗(yàn)測試內(nèi)容主要是測試橋梁控制截面在試驗(yàn)荷載下應(yīng)力和變形;而動(dòng)力荷載試驗(yàn)研究內(nèi)容主要有:豎向動(dòng)位移、動(dòng)應(yīng)變、測定橋梁的沖擊系數(shù)、自振頻率、阻尼特性等參數(shù)［4～5］。

3 靜力加載試驗(yàn)

3.1 靜力加載方案設(shè)計(jì)

為了合理布置測點(diǎn)和確定試驗(yàn)荷載車輛的布置，在加載試驗(yàn)前對(duì)該異型拱進(jìn)行了有限元建模計(jì)算，建模時(shí)考慮要滿足小變形假定，所以未計(jì)入普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)截面慣性矩增強(qiáng)的作用，且未考慮收縮徐變以及混凝土材料非線性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響［6～7］，鋼箱梁和混凝土箱梁采用Shell63單元，主拱和斜拱采用beam44單元，吊桿采用Link8單元模擬，有限元計(jì)算模型如圖2所示。經(jīng)過分析研究，靜載試驗(yàn)荷載采用18輛350 kN左右的重車(選用了自卸重車)，且試驗(yàn)前對(duì)橋梁進(jìn)行了預(yù)壓，經(jīng)計(jì)算本次試驗(yàn)荷載效率見表 1［8］。

圖2 飛燕式異型拱有限元模型

表1 靜載試驗(yàn)荷載效率

從表1可以看出，試驗(yàn)加載效率滿足《大跨度混凝土橋梁試驗(yàn)方法》要求。靜力加載試驗(yàn)主要是為了測試結(jié)構(gòu)控制截面的靜應(yīng)變、靜撓度，判斷橋梁的實(shí)際工作狀況是否符合設(shè)計(jì)要求或處于正常受力狀態(tài)，因此必須合理布置測點(diǎn)。經(jīng)過有限元計(jì)算分析，最終確定了如下的應(yīng)變測點(diǎn)布置。在主跨L/2的鋼箱梁截面共布置28個(gè)測點(diǎn):頂板和底板各布置9個(gè)測點(diǎn)，左右腹板各布置5個(gè)測點(diǎn)，如圖3(a)所示。在邊跨L/2截面和21號(hào)墩頂?shù)幕炷亮航孛婀膊贾?5個(gè)測點(diǎn):頂板和底板各布置5個(gè)測點(diǎn)，第三片腹板沿腹板高度布置5個(gè)測點(diǎn)，如圖3(b)所示。而撓度測點(diǎn)的布置如下:在主拱與吊桿相交主拱的中心線位置布置16個(gè)菱鏡，測定主拱的變形;在21、22號(hào)墩的拱腳位置設(shè)置1個(gè)拱腳位移觀測點(diǎn)，測定拱腳水平位移;另外，沿順橋方向還布置了3列撓度測點(diǎn)(每列17個(gè)測點(diǎn))，左右列位于行車道邊緣，中列位于橋面中心線位置［10］。

圖3 靜載應(yīng)變測點(diǎn)布置

3.2 靜力試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)該飛燕式異型拱橋的結(jié)構(gòu)形式，在試驗(yàn)過程中采用以下6種工況進(jìn)行加載:主跨跨中截面鋼箱梁最大正彎矩對(duì)稱加載、外側(cè)偏載;邊跨跨中控制截面主梁最大正彎矩對(duì)稱加載、外側(cè)偏載;21號(hào)墩墩頂截面最大負(fù)彎矩對(duì)稱加載、外側(cè)偏載。由于試驗(yàn)中采用了偏載和對(duì)稱2種加載方式，因而可以同時(shí)測試橋梁的偏載工作性能和對(duì)稱工作性能。從實(shí)測結(jié)果可以得出，1～6工況下加載試驗(yàn)得到的應(yīng)力和撓度實(shí)測值均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)均大于0.8，且應(yīng)力和撓度的變化規(guī)律與理論分析吻合良好，這表明測點(diǎn)的布置方案是科學(xué)合理的，有限元分析得到的結(jié)果也是符合橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)的，因篇幅所限這里只給出了工況2(主跨跨中截面鋼箱梁最大正彎矩外側(cè)偏載)下，主跨鋼箱梁跨中截面梁底的應(yīng)力和橋面撓度的測 試結(jié)果［8］，如表2所示。

表2 工況2下主跨鋼箱梁跨中截面測點(diǎn)測試結(jié)果

4 動(dòng)力加載試驗(yàn)

4.1 動(dòng)力加載方案設(shè)計(jì)

為了測試飛燕式異型拱橋的動(dòng)力性能，經(jīng)過分析研究，試驗(yàn)共考慮了如下的4種試驗(yàn)工況。(1)跑車試驗(yàn):在橋面無任何障礙的情況下，用2輛載重汽車(左右幅各1 輛)分別以10、20、30、40、50 km/h 勻速通過橋梁，測定試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)(動(dòng)位移及動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線);(2)跳車試驗(yàn):2輛載重汽車(左右幅各1輛)在邊跨L/2截面和中跨L/2截面處各設(shè)置高15 cm的障礙物，以車速5 km/h駛過障礙物，通過障礙后立即剎車，測定橋跨結(jié)構(gòu)在跳車作用下的動(dòng)力響應(yīng)(動(dòng)位移及動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線);(3)剎車試驗(yàn):2輛載重汽車(左右幅各1輛)以20 km/h在中跨L/2截面處立即斜向剎車，測定試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)在剎車作用下的動(dòng)力響應(yīng)(動(dòng)位移及動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線);(4)模態(tài)試驗(yàn):測量橋梁固有振動(dòng)(自振頻率、振形、阻尼比)。

激振試驗(yàn)(不同車速跑車、跳車、急剎車)試驗(yàn)在橋上總共布置了如下的8個(gè)傳感器和4個(gè)動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn):48 m邊跨的L/2截面布置豎橋向傳感器;在158 m中跨的L/2截面處布置豎橋向、橫橋向、縱橋向傳感器;在中跨L/4和3L/8截面處布置豎橋向、橫橋向傳感器;此外，還在中跨L/2截面鋼箱梁的左幅頂板、底板和右幅頂板、底板處分別布置了動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)。測點(diǎn)的總體布置如圖4所示。采用模態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)方法來測量橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)參數(shù)。模態(tài)試驗(yàn)是通過自然激勵(lì)作用下橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度信號(hào)分析，測量橋梁結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)(自振頻率、振型、阻尼比)，模態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)共布置了106個(gè)測點(diǎn):中間的小拱圈上均布了18個(gè)測點(diǎn)，在兩側(cè)的大拱圈各均布了44個(gè)測點(diǎn)［9～10］。

圖4 動(dòng)力試驗(yàn)測點(diǎn)布置示意

4.2 動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果

動(dòng)力試驗(yàn)采用如上所述的激振試驗(yàn)(不同車速跑車、跳車、急剎車)，表3所列數(shù)據(jù)為跑車試中在各車速下各測點(diǎn)的最大動(dòng)位移值［8］，同時(shí)也測得了邊跨跨中和中跨跨中截面動(dòng)位移時(shí)程曲線和動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線，因篇幅所限這里只給出了50 km/h速度下的動(dòng)位移時(shí)程曲線和動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線，如圖5所示［8］。

表3 跑車試驗(yàn)工況下的實(shí)測最大動(dòng)位移值 μm

在邊跨和中跨L/2截面處，試驗(yàn)車以5 km/h的剎車試驗(yàn)，以及20 km/h下中跨L/2截面處剎車試驗(yàn)，測得測點(diǎn)的動(dòng)位移見表4［4］。

表4 跳車試驗(yàn)工況下的實(shí)測最大動(dòng)位移值 μm

圖5 50 km/h下跑車試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)車輛以一定速度通過橋跨或在跨中以一定的速度越障時(shí)，將引起橋梁的振動(dòng)，從而使橋梁結(jié)構(gòu)在靜應(yīng)力的基礎(chǔ)上承受較大的動(dòng)應(yīng)力，動(dòng)撓度也比相同條件的靜載撓度大。這種動(dòng)荷載對(duì)應(yīng)力和撓度增大的影響，通常采用沖擊系數(shù)來衡量。沖擊系數(shù)的大小綜合反映了橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能、橋面平整度及運(yùn)行車輛的動(dòng)力特性、車速等因素的影響。因此沖擊系數(shù)往往成為確定車輛載荷對(duì)橋梁動(dòng)力作用的重要參數(shù)。

動(dòng)載試驗(yàn)中測試動(dòng)應(yīng)變時(shí)，產(chǎn)生的沖擊系數(shù)(1+μ)的計(jì)算公式如下

式中 Smax——?jiǎng)虞d作用下該測點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變值;

Smean——相應(yīng)的靜載荷作用下該測點(diǎn)最大應(yīng)變值，其值可由動(dòng)應(yīng)變曲線求得:Smean=(Smax+Smin)/2，其中，Smin為與 Smean相應(yīng)的最小應(yīng)變值。各種工況下實(shí)測沖擊系數(shù)［8］見表 5。

表5 各種工況下實(shí)測沖擊系數(shù)

從表5可看出，當(dāng)車速在0～50 km/h時(shí)，試驗(yàn)橋跨沖擊系數(shù)隨著車速增大而增大，且剎車工況下沖擊系數(shù)測值比跑車工況(0～50 km/h)大。依據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ77—98)，該橋邊跨沖擊系數(shù)的設(shè)計(jì)值為1.156，中跨沖擊系數(shù)的設(shè)計(jì)值為1.100，故橋梁在10～50 km/h車速跑車工況下實(shí)測沖擊系數(shù)均小于設(shè)計(jì)值，剎車工況下實(shí)測沖擊系數(shù)略大于設(shè)計(jì)值，表明橋面比較平順。

在進(jìn)行加載試驗(yàn)前對(duì)飛燕式異型拱橋建立了有限元分析模型，3個(gè)拱圈采用beam44梁單元模擬;吊桿采用Link8單元模擬，且拉索考慮了防腐護(hù)套質(zhì)量;主梁采用Shell63板單元模擬，截面取實(shí)際截面參數(shù)，通過調(diào)整主梁材料密度來考慮橋梁二期恒載對(duì)動(dòng)力性能的影響。成橋內(nèi)力狀態(tài)以施工監(jiān)控報(bào)告為準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，使模型的成橋內(nèi)力狀態(tài)與施工監(jiān)控報(bào)告描述吻合。大橋?qū)崪y振動(dòng)頻率與理論計(jì)算頻率及對(duì)應(yīng)阻尼比結(jié)果見表6［8］，大橋?qū)崪y各階振動(dòng)與理論振動(dòng)結(jié)果如圖6所示，中跨跨中截面振動(dòng)頻譜分析如圖7所示［8］。

表6 實(shí)測各階實(shí)測頻率與理論計(jì)算頻率

圖7 中跨L/2截面振動(dòng)頻譜分析

5 結(jié)論

通過對(duì)該異型拱橋試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到結(jié)論如下。

(1)對(duì)該大跨飛燕式異型拱橋試驗(yàn)，觀測到試驗(yàn)跨段最大加載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的力學(xué)反應(yīng)，并與理論計(jì)算進(jìn)行比較，可以判斷試驗(yàn)跨段結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律及內(nèi)力分布規(guī)律與理論吻合較好;且在試驗(yàn)過程中混凝土梁部分也見出現(xiàn)肉眼可見的裂縫，這表明橋梁靜力性能較好。然而試驗(yàn)同時(shí)表明該橋存在一定的偏載效應(yīng)，故在運(yùn)營過程中，盡量避免出現(xiàn)長時(shí)間單側(cè)滿載情況發(fā)生。

(2)動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果表明:橋跨在各車速下的沖擊系數(shù)均小于設(shè)計(jì)限值，表明該飛燕式異型拱整體上動(dòng)力性能比較好，但在剎車實(shí)測沖擊系數(shù)略大于設(shè)計(jì)值;另外從實(shí)測數(shù)據(jù)卡已看出跳車動(dòng)位移更大。因此建議實(shí)際本橋使用中，過橋車輛橋上行駛時(shí)要速度均勻，載重合適，防止急剎車情況過多出現(xiàn)，這樣有利于橋梁保持較好的技術(shù)狀態(tài)。

橋梁結(jié)構(gòu)各階振動(dòng)實(shí)測阻尼比為0.249%～2.536%，在正常范圍內(nèi)，說明大橋結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布與截面設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)無明顯的嚴(yán)重病害;且大橋主拱側(cè)彎及面內(nèi)豎彎各階實(shí)測振動(dòng)頻率與理論頻率的比值大于1.10，說明大橋主拱側(cè)向抗彎剛度及橋梁結(jié)構(gòu)整體豎向抗彎剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(3)本橋靜力、動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是橋梁竣工實(shí)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)效果較好，可作為橋梁“指紋”基礎(chǔ)技術(shù)資料使用，日后可作為本橋健康監(jiān)測橋梁狀態(tài)判定基準(zhǔn)和本橋長期使用受力性能下降分析的基礎(chǔ)對(duì)比資料。

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