中承式系桿拱橋靜動力性能試驗研究

段寶山 吳西嶺

（同濟大學 橋梁工程系，中國 上海 200092）

1 項目概況

此中承式系桿拱位于臨汾市，跨越汾河及濱河路。主橋上部結構采用30m+80m+105m+80m+30m的五跨中承式系桿拱，主橋橋面寬41米，主車道為雙向六車道，外側設非機動車道和人行道，設計荷載為城-A級。主跨矢跨比為1/3；從跨矢跨比為1/4。主跨主拱肋采用桁架式鋼管混凝土結構，拱肋高2.7m，寬2m，上下拱圈斷面均為啞鈴形；從跨主拱肋采用格構式鋼管混凝土斷面，拱肋高1.8m，寬2m，由四根直徑800mm、壁厚16mm的鋼管及16mm厚的鋼板組成。

2 靜載試驗

2.1 測試內容與測點布置

根據中承式系桿拱橋的受力特點和現場測試工作條件，靜載試驗主要對中105m拱和西80m拱的拱頂、四分點和拱腳進行了加載測試。測試的主要內容包括：中105m拱拱頂、四分點和拱腳斷面鋼管應力測試，西80m拱拱頂、四分點和拱腳斷面鋼管應力測試，5#拱座水平位移測量，拱肋豎向變形，部分吊桿活載索力增量測試。各測試斷面及測點位置如圖1所示。

圖1 測試斷面、活載拉力測試吊桿位置、拱座水平位移及斷面測點布置圖

2.2 加載工況

靜載試驗加載內容主要有六項：①中拱S1斷面正彎矩加載；②中拱S2斷面負彎矩加載；③中拱S3斷面負彎矩加載；④從拱S4斷面負彎矩加載；⑤從拱S5斷面負彎矩加載；⑥從拱S6斷面正彎矩加載。對主橋建立全橋桿系有限元模型，計算得到各截面的加載效率均介于0.90～1.05 之間，滿足荷載試驗規范要求。

各工況的加載均按照分級加載的順序，逐級加載至最大設計荷載，個別工況加載位置如圖2。卸載時，均一次全部卸載。

2.3 拱肋變形及拱腳水平位移測試結果及分析

試驗中測試了在中拱拱頂、四分點在中拱各加載工況下的撓度以及從拱拱頂、四分點在從拱各加載工況下的撓度，并測試了中拱拱頂正彎矩加載工況下5#拱座的水平位移。表1給出了中拱拱肋各撓度測點在中拱四分點加載工況下的撓度值及撓度校驗系數。

經計算得出，中拱各撓度測點的豎向撓度校驗系數均介于0.49～0.98 之間，中拱四分點撓度最大為 18.5mm，小于理論值 19.18mm，校驗系數為0.96。5#拱座水平位移在中拱拱頂加載工況下，南北兩側測點均為0.1mm，校驗系數為0.63。試驗測試結果表明，實際結構剛度滿足設計及規范要求。

圖2 個別工況加載縱橋向、橫橋向車輛布置圖（單位：cm）

表1 中拱四分點加載工況撓度實測與計算值比較

2.4 吊桿索力增量測試

實測得到中拱拱頂最大正彎矩工況下，中拱中間兩根吊桿的索力增量分別為231kN和178kN，而理論計算得到的索力增量分別為434kN和398kN，校驗系數分別為0.53和0.48，均屬于正常范圍。

2.5 控制截面應力試驗結果及分析

對靜載試驗中測得的應變結果進行處理，得到各測試斷面在相應荷載下的實測應力，現列出中拱各測試斷面在中拱各加載工況下應力測試結果，如表2～表3。

表2 中拱拱頂正彎矩加載工況拱肋應力實測與計算值比較

表3 中拱拱腳負彎矩加載工況拱肋應力實測與計算值比較

試驗結果表明，各拱肋控制斷面應力實測值均小于計算值，在最不利荷載作用下，各控制截面的應力校驗系數滿足《大跨度混凝土橋梁試驗方法》3.19.2條款的規定，主要測點的應力校驗系數在0.68～0.96之間，且各測點的殘余應變均小于5%，實際結構具有足夠的應力儲備。

3 動載試驗

3.1 拱肋動應力響應測定

橋梁實際承受的交通荷載不僅是靜車輛荷載，多數情況下受到的是移動車輛荷載作用。本次動載試驗主要測量應力的動態增量。選取中拱拱頂、中拱四分點、從拱四分點斷面縱向動應力測點布設于上弦管拱背處，采用兩輛載重車以勻速10～40km/h在橋上行駛，記錄所有測點的動應力時程信號。典型測試部位的振動信號如圖3所示。

圖3 兩輛重車以10km/h車速駛過橋面，中拱拱頂斷面鋼管混凝土拱肋（測點1）的動應力時程

實測的中拱拱頂、四分點、從拱四分點截面處的動力放大系數（1+μ）如表4所示，由表4可以看出，車輛在平整的橋面以正常速度行駛時引起的拱肋動態應力增量不大，拱肋各測試斷面的應力動態放大系數在1.04～1.09，均在正常范圍內，且與行車速度無顯著關系。

表4 主橋動載試驗鋼管混凝土拱肋實測應力動態放大系數（1+μ）

3.2 橋梁動力特性參數測定

橋梁結構的動力特性參數主要包括結構振動的頻率、振型及阻尼比。現場測試中，主要測試橋面各測點在自然環境激勵下的縱橋向、橫橋向振動加速度響應和拱肋各測點在自然環境激勵下的橫橋向、豎橋向振動加速度響應，采樣頻率選擇25.6Hz。

根據現場實測結果，分析得出橋梁前五階的動力特性參數如表5所示。

表5 五跨中承式系桿拱橋主橋動力特性參數

4 結論

通過對此五跨中承式系桿拱的靜動載試驗的測試及結果分析，可以得出如下結論：

4.1 靜力試驗荷載下，主橋拱肋各控制部位的應力變化、變形狀況均與理論計算值相符，應力和變形校驗系數均小于1；吊桿的活載拉力增量與理論結果吻合；拱肋變形及應力的對稱性較好，結構受力合理。

4.2 在不同行車速度的車輛荷載作用下，主橋拱肋的動應力峰值與動態增量均較小，動態放大系數小于1.10，在正常范圍內。

4.3 主橋實測橋面、拱肋固有振動頻率及振型階次與理論計算值吻合，實測頻率略大于理論值，表明實際結構的動力剛度大于設計理論值。

［1］戴澤濤,張春鳳.橋梁靜動載試驗的方法研究[J].城市建設理論研究,2011,21:2-5.

［2］范立礎.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001.

［3］張永厚,張永峰.中山市歧江三橋橋梁靜動載試驗研究[J].鐵道建筑,2010.