大跨徑鋼桁架拱橋靜載試驗研究

周葉軍，萬衛紅

(江西交通科學研究院，江西 南昌 330038)

鋼桁架拱橋具有承載力高、自重輕、跨度大、變形小、充分利用材料強度等優點，在大跨度橋梁結構中的應用越來越廣泛，與之相關的設計、施工、理論研究等方面的文獻也日益增多，但鮮有涉及到鋼桁架拱橋荷載試驗的文獻。介紹此類型橋梁靜載試驗方法，分析靜載受力性能，評價橋梁承載能力，對類似橋梁靜載試驗及設計有參考價值。

1 工程概況

贛州市新世紀大橋為(50+168+50)m中承式鋼桁架系桿拱橋，主橋橋面總寬度41 m。主拱上弦桿為高1.3 m、寬1.5 m的鋼箱結構，下弦桿為高1.5 m、寬1.5 m的鋼箱結構。腹桿主要采用1.5 m×0.5 m～1.5 m×0.8 m工字型斷面。中跨系梁為1.5 m×1.5 m的開口式∏型結構，邊跨系梁為1.5 m×1.5 m封閉箱型結構。橫梁為工字型結構，間距7 m，跨中梁高3 m。小縱梁為高0.7 m的工字型結構，間距2.6 m。主梁采用鋼混凝土組合體系。系梁在拱梁固結處斷開，設置牛腿。主拱設置5道鋼桁架式風撐。中跨吊桿間距7 m，采用PES7-121平行鋼絲。主橋設置4根系桿平衡恒載水平推力，系桿采用PESFD7-421平行鋼絲。大橋設計荷載:公路Ⅰ級，六車道;人群荷載為3 kN/m2。

2 試驗內容及方法

2.1 試驗計算

采用空間模型模擬大橋成橋階段，計算活載最不利值及試驗荷載效應。主拱、橫梁、系梁、腹桿采用BEAM188梁單元，橋面板采用SHELL63板單元，吊桿采用LINK10桁架單元。模型中不考慮墩臺及基礎不均勻沉降，拱腳處采用固結約束。計算模型如圖1所示。

圖1 空間計算模型

2.2 試驗工況

依據文獻［1-2］的要求，結合本橋受力特點，選取如下5個靜載試驗工況:①中跨跨中截面最大撓度、系梁及橫梁最大彎矩、跨中最大索力、主拱弦桿最大軸力;②中跨L/4截面最大撓度、系梁及橫梁最大彎矩、主拱弦桿最大軸力;③近中跨拱腳處上弦桿、下弦桿最大軸力;④邊跨跨中最大撓度、近邊跨拱腳下弦桿最大軸力;⑤系梁牛腿處最大剪力。以上5個工況中，每個工況分對稱加載及偏載兩次加載，以檢驗橋梁的偏載效應及抗扭性能。

靜力荷載試驗采用三軸載重汽車(前軸重60 kN，中后軸重120 kN，前中軸距為3.60 m，中后軸距為1.35 m，輪距1.95 m)進行等效加載，荷載效率系數η應滿足文獻［1］的要求:0.8＜η≤1，其中主要加載效率＞0.95，滿足文獻［2］的要求。

2.3 測點布置

1)應力測點布置(主拱中跨L/4，L/2處上弦桿布置軸向應變測點，中跨L/4，L/2系梁及橫梁布置桿件軸向應變測點，拱腳上下弦桿布置軸向應變測點，中跨系梁牛腿處布置45°直角應變花測點。

2)撓度測點布置:中跨橋面系各吊桿處布置撓度曲線測點(僅偏載側布置)，中跨L/4，L/2及邊跨跨中截面橋面橫橋向布置5個撓度測點，中跨L/4，L/2截面主拱布置撓度測點，另外，還在中跨伸縮縫處布置1個主梁縱橋向位移測點，2個主墩處各布置順橋向及豎向位移觀測點。

3)吊桿內力測點:偏載側各吊桿布置索力測點，非偏載側只在測試斷面附近3根吊桿布置測點。

各測試斷面及測點布置如圖2所示。

圖2 試驗測點布置示意(單位:m)

2.4 測試內容及方法

1)主拱、橋面撓度(線形)測試:采用徠卡DNA03型精密電子水準儀測試橋面撓度及線形，采用BJQN-5B型橋梁撓度檢測儀測試主拱撓度及主墩位移，采用百分表測試中跨伸縮縫處主梁順橋向位移。

2)主梁及主拱控制截面應力測試:采用DH3815、DH3816靜態電阻應變儀測量，在布點截面處擱置貼有溫度補償的試塊(試件)，實現單點逐一補償。

3)吊桿內力測試:采用振動測試法測試，并用絕對應變法(千分表、百分表)進行校核測試。

2.5 加載車位

試驗加載位置應滿足橋梁設計規范的要求，并盡量模擬實際活載的使用情況，工況1加載車位如圖3所示，靜載試驗前，使用部分加載車在橋上緩行幾次并停放，進行預壓，以消除結構塑性變形并使測試系統進入正常的工作狀態，正式加載時分級加載［3-6］。

3 主要試驗結果及分析

3.1 主拱及主桁主要測點應力

主拱及主桁架主要測點應力如表1，表中應力受拉為正，應力值為偏載工況與對稱加載工況中最大值。從表1可知，工況1至工況4，主拱、系梁、橫梁主要測點應力校驗系數0.50～0.64，滿足文獻［1］要求(校驗系數≤1.05)，說明截面強度能滿足設計要求，且具有較大的安全儲備，卸載后實測應力歸零良好，橋梁彈性恢復性能較好，處于彈性工作狀態。

圖3 工況1(偏載)車位示意(單位:m)

表1 主要測點應力結果

3.2 主拱及橋面主要測點撓度

主拱及主桁架主要測點撓度如表2，撓度下撓為正，撓度值為偏載工況與對稱加載工況中最大值。工況1橋面撓度曲線如圖4所示，跨中橋面撓度橫橋向分布如圖5所示。

表2 主要測點撓度結果

圖4 工況1橋面撓度曲線

圖5 工況1跨中橋面撓度分布

從表2可知，工況1至工況4，主拱及橋面主要測點撓度校驗系數為0.80～0.96，滿足文獻［1］要求(校驗系數≤1.05)，說明結構剛度能滿足設計要求，卸載后殘余撓度微小，橋梁具有良好的彈性恢復能力，處于彈性工作狀態。從圖4可知，橋面撓度均小于理論值，橋面變形平順，無突變，與理論曲線吻合良好。橋面豎向撓度實測最大為30.0 mm，遠小于橋梁設計規范規定的L/800，說明橋梁豎向剛度較大。

從圖5可知，大橋主桁架在使用荷載最不利偏載作用下，偏載效應不明顯，能較好地將力傳遞到整個截面。工況3下，主拱拱腳位移為零或小于儀器分辨精度(0.02 mm)，表面橋梁在最大活載作用下，基礎無明顯沉降及水平位移。

各靜載試驗工況下，中跨主梁順橋向位移觀測結果都為零，說明本橋伸縮縫處支座摩阻力較大，應以固定鉸模擬邊界條件為妥。

3.3 吊桿內力增量結果

工況1和工況2下，部分吊桿內力實測結果見表3。從表3可知，吊桿力校驗系數在0.90～0.99間，與理論預期較為吻合，表明拉索工作與設計預期一致，拉索工作正常。值得一提的是，在吊桿實測內力計算時，采用有限元模擬計算比經驗公式更為準確，在本橋實測恒載下吊桿力計算過程中，采用了有限元法計算，得到了比經驗公式計算更為準確的結果，實測吊桿力與設計吊桿力相對誤差在5%以內。

表3 吊桿力增量

4 結語

1)在靜荷載下，橋梁實際受力狀態與理論計算模式基本吻合，實測應力及撓度校驗系數均小于規范要求，卸載后應力、撓度回零良好，結構剛度及強度滿足設計要求，結構處于彈性受力狀態。結構偏載效應不明顯，具有較好的抗扭剛度。橋梁靜力受力性能滿足設計正常使用極限狀態承載力要求。

2)在此類橋型靜載試驗計算模型中，對于伸縮縫處橡膠支座的模擬，以固定鉸模擬更接近實際情況。

3)在計算系桿拱橋豎向吊桿的實測內力時，通過實測自振頻率，結合有限元模擬計算能得到較為精確的結果。

［1］交通部公路科學研究所.大跨徑混凝土橋梁的試驗方法［M］.北京:人民交通出版社，1982.

［2］中華人民共和國交通部.公路橋梁承載能力檢測評定規程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］江西省交通工程質量檢測中心.贛州市新世紀大橋成橋靜、動載試驗檢測報告［R］.南昌:江西省交通工程質量檢測中心，2012.

［4］吳建奇，鄭曉，張婷婷.橋梁檢測中的靜載試驗研究［J］.鐵道建筑，2011(2):42-44.

［5］謝海清，李亞東.某公鐵兩用鋼桁架拱橋方案靜動力分析［J］.鐵道建筑，2011(9):27-29.

［6］司秀勇，李春雨，金海江.無橫撐鋼管混凝土拱橋靜動載試驗研究［J］.鐵道建筑，2009(5):1-5.