連續鋼桁架拱橋靜載試驗研究

尹培南

摘要：為了研究長興縣中央大道杭寧高速跨線橋的技術狀況及承載能力的評定，通過測定結構在靜荷載作用下控制截面應力和變形，并與理論應力和變形值比較，以評定橋梁的實際承載能力和剛度；運用通用有限元軟件midas Civil建立有限元模型，，通過內力包絡圖找出結構的內力較大斷面，再通過影響線加載方法計算出相應截面的理論應力和變形。通過實測數據與理論計算數據的比較，橋梁技術狀況良好。

關鍵詞：連續鋼桁架拱橋；動靜載試驗；有限元

中圖分類號： TU997 文獻標識碼： A

1試驗橋梁概述

本橋鋼梁為40.7+100+40.7米三跨連續鋼桁拱橋，鋼梁全長181.4米，兩側邊跨為平弦桁梁，中跨為剛性拱柔性梁的鋼桁拱橋，邊跨主桁桁式采用有豎桿的三角形桁式，主桁桁高9.5米，桁寬36.3米，節間長度5米。以改善結構受力條件，同時與鋼桁拱拱肋下弦勻順過渡連為一體，中跨鋼桁拱橋拱肋采用變高度N形桁架，中間支點處桁高17.2米（包括加勁腿高度），跨中拱肋桁高3米，拱頂至橋面高度20米，矢高27.5米（拱肋桁架中心距），矢跨比3.64，拱肋桁架上下弦拱軸線分別采用不同的圓曲線，上弦拱軸線與邊跨平弦軸線采用圓曲線勻順過渡，兩拱腳之間設鋼系桿，以承受拱肋產生的巨大水平力。拱肋與系桿之間采用吊桿連接，吊桿最大長度20米。

鋼桁梁采用整體式節點，鋼梁支座采用鑄鋼球型滑板式支座。

加勁弦、拱肋下弦、平弦上下弦桿、中弦和拱肋上弦采用焊接箱型截面，截面高600～1040mm，外寬600～632mm，板厚16～32mm。

腹桿采用“H”型截面，截面高568mm，外寬240～560mm，板厚12～14mm。

系桿采用焊接矩形截面，截面高600mm，外寬600～632mm，板厚16～32mm。

橋梁橫斷面：0.3 m(欄桿)+ 4.5m(人行道) +1.3m(分隔帶) +4.5m（非機動車道）+1.6m(分隔帶)+22.5m（機動車道）+1.6m(分隔帶)+ 4.5m（非機動車道）+1.3m(分隔帶) + 4.5m(人行道)+ 0.3 m(欄桿)=46.9m；

橋梁立面圖見圖1，主橋跨中斷面圖見圖2。

圖1主橋立面布置圖 (cm)

圖2主橋跨中斷面圖 (cm)

2靜載試驗的理論計算及實測結果分析

2.1理論計算模型

采用midas Civil 8.05進行計算，計算模型見圖3。

圖3理論計算模型

2.2試驗荷載

靜力試驗荷載擬采用10輛重33噸的雙后軸載重汽車充當加載車，加載車前軸平均重70kN，兩后軸平均重130kN，左右輪中心距離為1.80m。就某一加載試驗項目而言，其所需加載車輛的數量，將根據設計標準活荷載產生的該加載試驗項目對應的控制截面內力或變位等的最不利效應值，按下式所確定的原則等效換算而得。

式中：—靜力試驗荷載效率；

—試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應的控制截面內力或變位等的最大計算效應值；

—設計標準活載不計沖擊荷載作用時產生的該加載試驗項目對應的控制截面內力或變位等的最不利計算效應值；

—設計計算取用的沖擊系數。

《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）中建議，靜力荷載試驗效率η宜介于0.95~1.05之間。

2.3試驗工況及加載位置

試驗加載位置和加載車數量應根據以下原則確定：

1）用盡可能少的加載車輛達到最合適的試驗荷載效率；

2）在滿足荷載效率及達到試驗目的的情況下，盡量簡化加載工況；

3）前后加載工況應互相兼顧，加載車輛合理調配。

為了防止試驗期間對結構造成損傷，就某一加載試驗工況，其靜載試驗分為分兩級或三級加載，并逐級卸載。加載方式為單級逐級加到最大荷載，然后逐級卸載至零荷載。

試驗加載車輛采用總重33t的3軸加載車，如圖4所示。加載車試驗前應逐一稱重編號，總重誤差不得超過±1噸。

圖4 加載車輛示意（尺寸單位：cm）

與靜載試驗內容對應，縱橋向按最不利位置布載；相應的橫橋向有兩種工況（中載、偏載），偏載主要是為了尋求橫向分布的最不利狀態，確定偏載增大系數。靜載試驗設6個工況：

1）工況一：中載作用下，中跨跨中截面處（即S1斷面）拱肋及橋面最大撓度，拱頂水平位移；跨中附近北面拱肋內側上弦桿截面（即S2斷面）最大軸力；跨中北面內側吊桿（即S3斷面）最大軸力；跨中中橫梁的跨中（即S4斷面）最大彎矩及剪力，共需6輛加載車；

2）工況二：偏載作用下，中跨跨中截面處（即S1斷面）最大撓度；跨中附近北面拱肋內側上弦桿截面（即S2斷面）最大軸力；跨中北面內側吊桿（即S3斷面）最大軸力；跨中中橫梁的跨中（即S4斷面）最大彎矩及剪力，共需6輛加載車；

3）工況三：中載作用下，主跨拱腳截面（即S5斷面）的北面拱肋內側下弦桿最大軸力及拱頂水平位移；共需10輛加載車；

4）工況四：偏載作用下，主跨拱腳截面（即S5斷面）的北面拱肋內側下弦桿最大軸力；共需10輛加載車；

5）工況五：中載載作用下，邊跨3L/8處（即S6斷面）橋面及拱肋撓度，北面拱肋內側豎桿的應變；共需6輛加載車；

6）工況六：偏載載作用下，邊跨3L/8處（即S6斷面）橋面及拱肋撓度，北面拱肋內側豎桿的應變；共需6輛加載車。

2.4靜載試驗加載效率

各個工況最終試驗加載效率見表1（實際加載中采用分級加載）：

表1主橋各中載工況靜載加載效率

2.4靜載試驗結果及分析

各個加載工況下，控制截面的理論應力、撓度、拱肋水平偏位值與相應實測值對比分析見下表2：

表2各個測試斷面應變和變位校驗系數表

3結論

（1）主橋工況一~工況六控制截面各測點實測應變均小于相應的理論計算值；工況一應變校驗系數均值：（S2截面0.84，S3截面0.78，S4截面0.95），工況二應變校驗系數均值：（S2截面0.84，S3截面0.76，S4截面0.89），工況三應變校驗系數均值：（S5截面0.72），工況四應變校驗系數均值：（S5截面0.74），工況五應變校驗系數均值：（S6截面0.54），工況六應變校驗系數均值：（S6截面0.53），各測點應變校驗系數及各工況應變校驗系數均值滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》關于校驗系數規定的范圍（小于1.0），這表明結構的實際承載力能滿足公路-Ⅰ級荷載使用要求，且有一定的安全儲備；試驗結構實測殘余應變均不大于20%，表明結構在試驗荷載作用下處于彈性工作狀態；中、偏載工況作用下受力較大一側拱肋的應變校驗系數并未明顯偏大，荷載在兩拱肋間的分布合理，結構橫向剛度滿足設計要求。

（2）主橋工況一～工況二各個測點撓度校驗系數及各工況撓度校驗系數均值滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》關于撓度校驗系數的規定范圍（小于1.0）；各工況橋面撓度校驗系數均值為0.90（S1截面）、0.46（S1截面），拱肋撓度校驗系數均值為0.67（S2截面）、0.63（S2截面），拱肋水平偏位校驗系數均值為0.63（S2截面）、0.59（S2截面）；試驗孔結構的實際剛度能滿足公路-Ⅰ級荷載使用要求，且有一定的安全儲備；試驗結構實測殘余撓度均不大于20%，表明結構在試驗荷載作用下尚處于彈性工作狀態；中、偏載工況作用下受力較大一側拱肋的撓度校驗系數并未明顯偏大，荷載在兩拱肋間的分布合理，結構橫向剛度滿足設計要求。

（3）分級加載主橋結構線性反應表現明顯，相對殘余應變均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》關于相對殘余應變的要求。

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