清水江大橋成橋荷載試驗(yàn)研究*

周磊，楊成銘，丁瑞

（貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng) 550000）

清水江大橋成橋荷載試驗(yàn)研究*

周磊，楊成銘，丁瑞

（貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng) 550000）

結(jié)合清水江大橋交工檢測(cè)，介紹了大跨徑鋼管砼系桿拱橋靜載試驗(yàn)、動(dòng)力荷載試驗(yàn)的方法和過程，并對(duì)靜、動(dòng)載參數(shù)實(shí)測(cè)值和計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，該橋控制截面測(cè)點(diǎn)各參數(shù)實(shí)測(cè)值跟計(jì)算值較吻合，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)也正常。

橋梁；鋼管砼拱橋；剛性系桿剛性拱；荷載試驗(yàn)；檢測(cè)評(píng)定

鋼管砼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)美觀、跨越能力較大等優(yōu)勢(shì)，加上可以解決部分鋼材產(chǎn)能過剩問題，在建設(shè)條件允許的情況下，中國(guó)各級(jí)政府更愿意建設(shè)這類橋型，故鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有更好的應(yīng)用前景。目前，鋼管砼荷載試驗(yàn)評(píng)價(jià)體系不夠完善，不同跨徑橋梁可能受力性能各異。該文結(jié)合工程實(shí)例，介紹剛性系桿剛性拱的靜、動(dòng)載試驗(yàn)，以期對(duì)這類橋梁的荷載試驗(yàn)過程及評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)和參考。

1 工程概況

清水江大橋是貴州省凱里濱江休閑道路（玻璃廠至鐮刀灣段）的控制性工程，跨徑組合為（2×32.5 +110+2×32.5）m，其中2×32.5 m為現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，主跨110 m為鋼管砼系桿拱橋，橋面為鋼-砼組合結(jié)構(gòu)，屬于剛性系桿剛性拱。主橋立面見圖1，其斷面見圖2。

圖1 清水江大橋主橋立面及靜載試驗(yàn)測(cè)試截面和變形測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

圖2 清水江大橋斷面及靜載試驗(yàn)變形和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)橫向布置

主拱肋采用單圓鋼管砼，鋼管外徑1.5 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段壁厚24 mm，拱腳段局部壁厚28 mm，鋼管內(nèi)灌C55自密實(shí)微膨脹砼。全橋共2條拱肋，拱肋中心間距28 m。主拱肋橫向設(shè)有5道一字式徑向橫撐，橫撐采用直徑0.92 m鋼管，壁厚14 mm。吊桿采用15.2 mm環(huán)氧噴涂鋼絞線擠壓成型為吊桿索體，極限抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，兩端采用定型耐久性錨具。吊桿布置間距為10 m，全橋共20根吊桿。

橋道系采用鋼-砼組合梁，鋼梁結(jié)構(gòu)由鋼縱梁、次縱梁、吊點(diǎn)鋼橫梁、次鋼橫梁及組合砼橋面板構(gòu)成。鋼縱梁為箱形截面，寬度1m，中心高度約2.05 m，兩片主拱肋處各設(shè)1道鋼縱梁，全橋共2道鋼縱梁。次縱梁為工字形截面，設(shè)置于主橋中心線處，全橋共設(shè)置1道。吊點(diǎn)鋼橫梁為工字形截面，長(zhǎng)約27 m，每個(gè)吊點(diǎn)位置布置1道，順橋向間距10 m。吊點(diǎn)鋼橫梁間設(shè)置2道次鋼橫梁，間距3.33 m。組合橋面板采用C40鋼纖維砼，標(biāo)準(zhǔn)厚度12 cm，在縱橫鋼梁處局部設(shè)置承托變化到22 cm，鋼頂板設(shè)置

焊釘與砼橋面板連接，砼橋面板底部設(shè)置8 mm厚鋼板作為底板，鋼底板上設(shè)置帶孔鋼板（PBL剪力連接件）。

橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為汽車城市A級(jí)、人群3.5 k Pa。橋面寬度為1.25 m吊桿區(qū)+2.5 m人行道+10 m行車道+1.5 m中央分隔帶+10 m行車道+2.5 m人行道+1.25 m吊桿區(qū)。

2 靜載試驗(yàn)

2.1 測(cè)試內(nèi)容

結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載標(biāo)準(zhǔn)采用公路Ⅰ級(jí)六車道，按規(guī)范進(jìn)行橫向折減，繼而進(jìn)行車輛荷載布置，測(cè)試加載工況下系桿、橫梁和拱肋控制截面的應(yīng)變、系桿變形、拱肋變形、吊桿頻率增量等參數(shù)，觀察控制截面在加載過程中是否產(chǎn)生巨響或異常變化。荷載效率見表1。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置及加載車位置

主橋靜載試驗(yàn)共設(shè)置9個(gè)測(cè)試截面，其中：拱肋設(shè)置3個(gè)應(yīng)變測(cè)試截面，分別為拱腳最大正彎矩截面J1、L／4截面J2、拱頂J3截面，各截面拱圈頂部4個(gè)測(cè)點(diǎn)、底部4個(gè)測(cè)點(diǎn)；系桿設(shè)置2個(gè)應(yīng)變測(cè)試截面，分別為L(zhǎng)／4截面Y2、3L／4截面Y2′；橫梁設(shè)置4個(gè)應(yīng)變測(cè)試截面，分別為P1吊桿橫梁截面、P3吊桿橫梁截面、P5吊桿橫梁截面、P8吊桿橫梁截面，測(cè)點(diǎn)布置在中央分隔帶下橫梁。各測(cè)試截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見圖1、圖2，加載車位置見圖3。試驗(yàn)采用38 t加載車8臺(tái)，加載車前軸8 t，中后軸30 t，試驗(yàn)前對(duì)加載車進(jìn)行過磅稱重。各工況采用三級(jí)加載，一次卸載完畢。

表1 主橋靜力試驗(yàn)荷載效率

2.3 測(cè)量結(jié)果

2.3.1 撓度

各工況下，主橋?qū)崪y(cè)橋面最大彈性撓度為30.76 mm，撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)為0.50～0.89；主橋?qū)崪y(cè)拱肋最大彈性撓度為20.00 mm，撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)為0.51～0.93。表2為工況3荷載作用下主橋左幅橋面變形檢測(cè)結(jié)果，其撓度曲線見圖4。從圖4來看，工況3作用下主梁撓度曲線連續(xù)、平滑，與計(jì)算值具

有一致的規(guī)律，殘余值也在規(guī)范要求范圍內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)具有良好的整體剛度。

圖3 靜載試驗(yàn)加載車布置（單位：cm）

表2 主橋工況3作用下左幅橋面撓度檢測(cè)結(jié)果

圖4 工況3作用下主梁撓度曲線

2.3.2 應(yīng)變

在各工況荷載作用下，各截面部分應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果見表3～5。應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.50～0.83，與計(jì)算值具有一致的規(guī)律，同時(shí)殘余較小，說明結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 拱肋應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

表4 橫梁應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

表5 系桿應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

3 動(dòng)載試驗(yàn)

3.1 測(cè)試內(nèi)容與測(cè)點(diǎn)布置

主橋動(dòng)力特性測(cè)試主要檢測(cè)固有頻率，測(cè)試截面動(dòng)力響應(yīng)檢測(cè)包括動(dòng)應(yīng)變、振動(dòng)速度、沖擊效應(yīng)。進(jìn)行5種車速無障礙跑車、跳車和脈動(dòng)等工況試驗(yàn)，試驗(yàn)程序見表6。

表6 動(dòng)力試驗(yàn)程序

主橋動(dòng)載試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)測(cè)試截面，分別為右幅拱肋L／4截面J2、右幅拱肋拱頂截面J3、右幅系桿跨中截面J5，各測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)布置見圖5。

圖5 動(dòng)力試驗(yàn)測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

3.2 頻率測(cè)試

3.2.1 主跨振型計(jì)算結(jié)果

采用MIDAS／Civil有限元空間模型計(jì)算結(jié)構(gòu)

動(dòng)力特性，主跨豎向彎曲理論振型見圖6。

圖6 主跨豎向彎曲理論振型

3.2.2 跳車及脈動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果

在主跨J2、J3截面通過跳車使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動(dòng)，用高靈敏加速度計(jì)拾取結(jié)構(gòu)自振信號(hào)，通過分析計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比；通過對(duì)脈動(dòng)信號(hào)的分析處理，識(shí)別結(jié)構(gòu)的自振頻率。圖7和圖8分別為跳車自振、脈動(dòng)信號(hào)頻譜分析結(jié)果，表7為主橋動(dòng)力特性實(shí)測(cè)結(jié)果。

從表7可見，實(shí)測(cè)1～5階頻率與計(jì)算值比較接近，顯示出較好的規(guī)律性。

圖7 實(shí)測(cè)J2截面跳車自振頻譜

圖8 實(shí)測(cè)右幅系桿跨中截面脈動(dòng)信號(hào)頻譜

表7 主橋動(dòng)力特性檢測(cè)結(jié)果

3.2.3 動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試

在橋面無障礙的情況下，采用2輛加載車以橋軸線為對(duì)稱軸并排勻速通過橋梁，行駛速度為10～50 km／h，通過測(cè)定振動(dòng)速度、動(dòng)應(yīng)變，考察不同車速作用下測(cè)試部位的動(dòng)力增大效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果見圖9、圖10和表8。

圖9 實(shí)測(cè)J2截面30 km／h跑車信號(hào)頻譜

圖10 實(shí)測(cè)J2截面10 km／h跑車動(dòng)應(yīng)變圖

表8 跑車試驗(yàn)動(dòng)力響應(yīng)檢測(cè)結(jié)果

通過對(duì)動(dòng)應(yīng)變時(shí)間歷程曲線的計(jì)算，得到測(cè)試截面的應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)：

式中：εdmax為最大動(dòng)應(yīng)變；εjmax為最大靜應(yīng)變；εp為動(dòng)應(yīng)變信號(hào)半峰值。

k值反映移動(dòng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)，圖11為測(cè)試截面應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)隨車速的變化。

圖11 應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)隨車速的變化

4 結(jié)論

（1）在靜力荷載作用下，清水江大橋主梁撓度、應(yīng)變、索塔位移和索力等實(shí)測(cè)值具有較好的規(guī)律性，跨中截面沒有產(chǎn)生裂縫，滿足設(shè)計(jì)荷載的正常使用要求。在動(dòng)力荷載作用下，實(shí)測(cè)1～5階頻率與計(jì)算值的比值為1.00～1.189，實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)變影響線與計(jì)算值具有較高的吻合度，行車試驗(yàn)的應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)為1.00～1.185，無障礙行車時(shí)汽車對(duì)大橋結(jié)構(gòu)的沖擊較小。

（2）鋼-砼組合結(jié)構(gòu)橋面縱橫梁參與結(jié)構(gòu)受力，在建模計(jì)算時(shí)需充分考慮其剛度。

（3）對(duì)于剛性系桿剛性拱，主拱圈和系桿都承擔(dān)較大內(nèi)力，在制訂試驗(yàn)計(jì)算方案和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)都應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)荷載效應(yīng)布載測(cè)試。

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U446

A

1671-2668（2016）06-0182-05

2016-05-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51278512；51208538）