中承式系桿拱橋靜動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

段寶山 吳西嶺

（同濟(jì)大學(xué) 橋梁工程系，中國 上海 200092）

1 項(xiàng)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(jié)構(gòu)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(cè)設(shè)非機(jī)動(dòng)車道和人行道，設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)。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(jié)構(gòu)，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(gòu)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(yàn)

2.1 測(cè)試內(nèi)容與測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)中承式系桿拱橋的受力特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作條件，靜載試驗(yàn)主要對(duì)中105m拱和西80m拱的拱頂、四分點(diǎn)和拱腳進(jìn)行了加載測(cè)試。測(cè)試的主要內(nèi)容包括：中105m拱拱頂、四分點(diǎn)和拱腳斷面鋼管應(yīng)力測(cè)試，西80m拱拱頂、四分點(diǎn)和拱腳斷面鋼管應(yīng)力測(cè)試，5#拱座水平位移測(cè)量，拱肋豎向變形，部分吊桿活載索力增量測(cè)試。各測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 測(cè)試斷面、活載拉力測(cè)試吊桿位置、拱座水平位移及斷面測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 加載工況

靜載試驗(yàn)加載內(nèi)容主要有六項(xiàng)：①中拱S1斷面正彎矩加載；②中拱S2斷面負(fù)彎矩加載；③中拱S3斷面負(fù)彎矩加載；④從拱S4斷面負(fù)彎矩加載；⑤從拱S5斷面負(fù)彎矩加載；⑥從拱S6斷面正彎矩加載。對(duì)主橋建立全橋桿系有限元模型，計(jì)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(yàn)規(guī)范要求。

各工況的加載均按照分級(jí)加載的順序，逐級(jí)加載至最大設(shè)計(jì)荷載，個(gè)別工況加載位置如圖2。卸載時(shí)，均一次全部卸載。

2.3 拱肋變形及拱腳水平位移測(cè)試結(jié)果及分析

試驗(yàn)中測(cè)試了在中拱拱頂、四分點(diǎn)在中拱各加載工況下的撓度以及從拱拱頂、四分點(diǎn)在從拱各加載工況下的撓度，并測(cè)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(cè)點(diǎn)在中拱四分點(diǎn)加載工況下的撓度值及撓度校驗(yàn)系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算得出，中拱各撓度測(cè)點(diǎn)的豎向撓度校驗(yàn)系數(shù)均介于0.49～0.98 之間，中拱四分點(diǎn)撓度最大為 18.5mm，小于理論值 19.18mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.96。5#拱座水平位移在中拱拱頂加載工況下，南北兩側(cè)測(cè)點(diǎn)均為0.1mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.63。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

圖2 個(gè)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(diǎn)加載工況撓度實(shí)測(cè)與計(jì)算值比較

2.4 吊桿索力增量測(cè)試

實(shí)測(cè)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(jì)算得到的索力增量分別為434kN和398kN，校驗(yàn)系數(shù)分別為0.53和0.48，均屬于正常范圍。

2.5 控制截面應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)靜載試驗(yàn)中測(cè)得的應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行處理，得到各測(cè)試斷面在相應(yīng)荷載下的實(shí)測(cè)應(yīng)力，現(xiàn)列出中拱各測(cè)試斷面在中拱各加載工況下應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，如表2～表3。

表2 中拱拱頂正彎矩加載工況拱肋應(yīng)力實(shí)測(cè)與計(jì)算值比較

表3 中拱拱腳負(fù)彎矩加載工況拱肋應(yīng)力實(shí)測(cè)與計(jì)算值比較

試驗(yàn)結(jié)果表明，各拱肋控制斷面應(yīng)力實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，在最不利荷載作用下，各控制截面的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)滿足《大跨度混凝土橋梁試驗(yàn)方法》3.19.2條款的規(guī)定，主要測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.68～0.96之間，且各測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)變均小于5%，實(shí)際結(jié)構(gòu)具有足夠的應(yīng)力儲(chǔ)備。

3 動(dòng)載試驗(yàn)

3.1 拱肋動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)測(cè)定

橋梁實(shí)際承受的交通荷載不僅是靜車輛荷載，多數(shù)情況下受到的是移動(dòng)車輛荷載作用。本次動(dòng)載試驗(yàn)主要測(cè)量應(yīng)力的動(dòng)態(tài)增量。選取中拱拱頂、中拱四分點(diǎn)、從拱四分點(diǎn)斷面縱向動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布設(shè)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(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力時(shí)程信號(hào)。典型測(cè)試部位的振動(dòng)信號(hào)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(cè)點(diǎn)1）的動(dòng)應(yīng)力時(shí)程

實(shí)測(cè)的中拱拱頂、四分點(diǎn)、從拱四分點(diǎn)截面處的動(dòng)力放大系數(shù)（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(shí)引起的拱肋動(dòng)態(tài)應(yīng)力增量不大，拱肋各測(cè)試斷面的應(yīng)力動(dòng)態(tài)放大系數(shù)在1.04～1.09，均在正常范圍內(nèi)，且與行車速度無顯著關(guān)系。

表4 主橋動(dòng)載試驗(yàn)鋼管混凝土拱肋實(shí)測(cè)應(yīng)力動(dòng)態(tài)放大系數(shù)（1+μ）

3.2 橋梁動(dòng)力特性參數(shù)測(cè)定

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)振動(dòng)的頻率、振型及阻尼比。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，主要測(cè)試橋面各測(cè)點(diǎn)在自然環(huán)境激勵(lì)下的縱橋向、橫橋向振動(dòng)加速度響應(yīng)和拱肋各測(cè)點(diǎn)在自然環(huán)境激勵(lì)下的橫橋向、豎橋向振動(dòng)加速度響應(yīng)，采樣頻率選擇25.6Hz。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，分析得出橋梁前五階的動(dòng)力特性參數(shù)如表5所示。

表5 五跨中承式系桿拱橋主橋動(dòng)力特性參數(shù)

4 結(jié)論

通過對(duì)此五跨中承式系桿拱的靜動(dòng)載試驗(yàn)的測(cè)試及結(jié)果分析，可以得出如下結(jié)論：

4.1 靜力試驗(yàn)荷載下，主橋拱肋各控制部位的應(yīng)力變化、變形狀況均與理論計(jì)算值相符，應(yīng)力和變形校驗(yàn)系數(shù)均小于1；吊桿的活載拉力增量與理論結(jié)果吻合；拱肋變形及應(yīng)力的對(duì)稱性較好，結(jié)構(gòu)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(dòng)應(yīng)力峰值與動(dòng)態(tài)增量均較小，動(dòng)態(tài)放大系數(shù)小于1.10，在正常范圍內(nèi)。

4.3 主橋?qū)崪y(cè)橋面、拱肋固有振動(dòng)頻率及振型階次與理論計(jì)算值吻合，實(shí)測(cè)頻率略大于理論值，表明實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)力剛度大于設(shè)計(jì)理論值。

［1］戴澤濤,張春鳳.橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)的方法研究[J].城市建設(shè)理論研究,2011,21:2-5.

［2］范立礎(chǔ).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(dòng)載試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑,2010.