大跨度鋼管混凝土系桿拱橋荷載試驗(yàn)研究

劉 榮

（四川路橋橋梁工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

1 工程概況

該橋主跨為2×160m下承式鋼管混凝土系桿拱橋。主拱為橫啞鈴形桁式拱，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)1.167，矢跨比1/5，拱肋為鋼管混凝土桁式結(jié)構(gòu)，截面全寬2.0m，高度為3.6m。每片拱肋由4根鋼管組成（弦桿內(nèi)灌注C60微膨脹混凝土）。上、下弦橫向兩根鋼管之間分別用鋼板作為平聯(lián)。每跨拱肋設(shè)置1道一字型橫撐，2道K型橫撐。設(shè)計(jì)荷載為公路I級(jí)。全橋布置圖如圖1所示。面為16個(gè)測(cè)點(diǎn)外，L/4、拱頂和3L/4截面均布置8個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，全橋共設(shè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)112個(gè)，采用外貼振弦式傳感器測(cè)量主拱肋應(yīng)變。吊桿力僅測(cè)量每個(gè)工況加載車(chē)輛范圍內(nèi)的上下游吊桿，采用頻率法進(jìn)行測(cè)量。

圖1 總體布置圖（單位：cm）

2 荷載試驗(yàn)

荷載試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法是否合理，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力，了解橋跨結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性以及其在長(zhǎng)期使用階段的動(dòng)力性能。結(jié)合本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取拱腳、L/4、拱頂截面以及4#、5#墩墩底截面作為結(jié)構(gòu)內(nèi)力控制截面，并以此安排加載工況。

2.1 靜載試驗(yàn)加載方案

采用Midas/Civil建立全橋的空間有限元模型，通過(guò)計(jì)算分析，加載車(chē)輛選取450kN雙橋車(chē)（前軸重90kN，中后軸均為180kN，前中軸軸距4m，中后軸軸距1.4m）進(jìn)行加載，各靜載試驗(yàn)工況的效率系數(shù)如表1所示。從表中可以看出，效率系數(shù)位于0.95～1.03，滿足交通部《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011，以下簡(jiǎn)稱“評(píng)定規(guī)程”）的要求。

表1 各靜載工況荷載效率系數(shù)

2.2 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試儀器

主拱撓度測(cè)點(diǎn)分別布置在上下游拱肋的兩側(cè)拱腳、L/4、拱頂、3L/4處，橋面撓度測(cè)點(diǎn)布置于拱肋測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置，全橋共設(shè)撓度測(cè)點(diǎn)40個(gè)，采用全站儀進(jìn)行撓度觀測(cè)。主拱截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示（圖中三角形為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)），除拱腳截

圖2 拱肋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

2.3 動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容

本橋動(dòng)載試驗(yàn)包括了脈動(dòng)試驗(yàn)、無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)和有障礙行車(chē)試驗(yàn)。無(wú)障礙和有障礙行車(chē)試驗(yàn)主要測(cè)記主梁應(yīng)力動(dòng)態(tài)增大效應(yīng)和動(dòng)撓度，測(cè)點(diǎn)布置在GP跨主拱拱頂截面和主梁跨中截面處。

2.3.1 脈動(dòng)試驗(yàn)

測(cè)定結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性（頻率和臨界阻尼比）。即在橋面無(wú)任何交通荷載以及橋梁附近無(wú)規(guī)則振源的情況下，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)、水流等隨機(jī)荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng)。

2.3.2 無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)

主要用于模擬和測(cè)定橋面鋪裝層完好時(shí)運(yùn)行車(chē)輛荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。即在橋面無(wú)任何障礙的情況下，用兩輛重載汽車(chē)（單車(chē)總重約450kN）分橋軸線對(duì)稱和橋軸線非對(duì)稱（橋軸線對(duì)稱指的兩輛車(chē)同向分別行駛在上下行車(chē)道的中央，橋軸線非對(duì)稱指的是兩輛同向行駛在上行車(chē)道或下行車(chē)上）兩種情況，以每小時(shí)10km、20km、30km、40km的速度往返通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車(chē)輛荷載作用于的動(dòng)力反應(yīng)。

2.3.3 有障礙行車(chē)試驗(yàn)

模擬橋面鋪裝局部損傷，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車(chē)輛荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)。其動(dòng)載試驗(yàn)荷載及其作用方法與無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)相同。不同的是，需在橋跨結(jié)構(gòu)GP方向起邊跨試驗(yàn)截面至主跨跨中截面處橋面上設(shè)置高度分別為5cm高障礙物（其橫斷面為底寬20cm，矢高5cm的弓形木板），模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)，以測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在橋面不良狀態(tài)時(shí)運(yùn)行車(chē)輛荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)，行車(chē)速度每小時(shí)10km、20km、30km、40km。

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

由于本橋試驗(yàn)工況及測(cè)點(diǎn)較多，限于篇幅，僅列出工況二荷載作用下GP跨的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。本橋在工況二荷載作用下的拱肋撓度及橋面撓度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及校驗(yàn)系數(shù)等見(jiàn)表2所示，表中數(shù)據(jù)負(fù)值表示撓度向下，正值向上。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，校驗(yàn)系數(shù)位于0.38～0.94，且相對(duì)殘余變形均小于20%，說(shuō)明橋梁處于良好的彈性工作狀態(tài)，整體剛度滿足公路I級(jí)荷載的要求。

表2 工況二GP跨拱肋及橋面撓度實(shí)測(cè)值

圖4 一階自振模態(tài)圖（橫橋向）

無(wú)障礙行車(chē)及有障礙行車(chē)在不同車(chē)速下主梁跨中位置處的沖擊系數(shù)見(jiàn)表4；跨中動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的時(shí)程響應(yīng)見(jiàn)圖5，篇幅所限，僅列出有障礙行車(chē)工況。

圖5 有障礙行車(chē)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線

主拱肋在工況二荷載作用下的實(shí)測(cè)換算應(yīng)力如圖3所示，圖中數(shù)據(jù)拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，工況二荷載作用下主拱肋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)位于0.43～0.89，均小于1，且卸載過(guò)程中應(yīng)變回復(fù)較好，未發(fā)現(xiàn)殘余大于20%的狀況。說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于正常的線彈性狀態(tài)。

圖3 工況二GP跨主拱應(yīng)力圖（橫橋向）

工況二荷載作用下GP跨吊桿力實(shí)測(cè)值見(jiàn)表3所示。表中S表示上游側(cè)吊桿，X表示下游側(cè)吊桿，編號(hào)順序從SQ向GP側(cè)依次增加。從表中數(shù)據(jù)可以看出，吊桿力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值基本符合，校驗(yàn)系數(shù)在0.82～0.95之間，均小于1，且上下游相應(yīng)吊桿力之間差值較小。

表3 工況二GP跨吊桿力實(shí)測(cè)值

4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

采用Midas/Civil結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)本橋進(jìn)行模態(tài)分析，得出一階自振頻率理論值為0.722Hz，實(shí)測(cè)一階自振頻率值為0.784Hz，實(shí)測(cè)值略高于理論值，比值為1.086，說(shuō)明實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛度要略大于計(jì)算模型。圖4為理論計(jì)算模態(tài)。

表4 主梁跨中位置處沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，在無(wú)障礙行車(chē)時(shí)，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)與理論沖擊系數(shù)比較接近；有障礙行車(chē)時(shí)，沖擊系數(shù)大于理論計(jì)算值，所以在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，要注意對(duì)橋面鋪裝的檢查，及時(shí)修補(bǔ)鋪裝破損位置，避免過(guò)大的沖擊系數(shù)對(duì)橋梁造成損傷。

5 結(jié)論及建議

各試驗(yàn)工況的荷載效率系數(shù)處于0.95～1.03，滿足評(píng)定規(guī)程的要求，說(shuō)明試驗(yàn)荷載能夠反映設(shè)計(jì)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，試驗(yàn)結(jié)果具有參考價(jià)值；各工況撓度及應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均小于1，表明橋梁的實(shí)際狀況好于理論狀況，具有一定的安全儲(chǔ)備及良好的整體剛度；試驗(yàn)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的幾何變形、應(yīng)力重復(fù)性良好，卸載后相對(duì)殘余均小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)；實(shí)測(cè)主橋基頻為0.784Hz，理論值為0.722Hz，說(shuō)明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度略大于理論剛度；實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)與理論沖擊系數(shù)較為接近，結(jié)構(gòu)具有良好的動(dòng)力性能，能夠滿足使用要求；有障礙行車(chē)時(shí)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)較大，為1.15～1.23，所以在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，要注意對(duì)橋面鋪裝的檢查，并及時(shí)修補(bǔ)鋪裝破損位置，避免過(guò)大的沖擊系數(shù)對(duì)橋梁造成損傷。

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