某鋼管混凝土系桿拱橋靜動載試驗研究

周 潔

（石家莊道橋管理處橋涵管理所，河北 石家莊 0500060）

0 引 言

隨著我國交通事業的不斷發展，鋼管混凝土系桿拱橋以其強度高、跨越能力大以及受力形式合理的優勢，在土木工程中的應用越來越廣泛[1]。

由于鋼管混凝土系桿拱橋的受力形式復雜，基于現有檢測規范對其承載能力評定偏于保守，導致其安全儲備過高，造成經濟的損失和浪費。因此，合理評定鋼管混凝土系桿拱橋的真實受力性能具有重要意義。

國外關于鋼管混凝土系桿拱橋理論從形成到發展已有上百年的歷史，并制定了一系列設計規程，如歐洲的 EC4（1996）和日本的 AIJ（1980，1997），但現階段，國外關于鋼管混凝土系桿拱橋的檢測規程研究相對落后于設計規程。

國內關于鋼管混凝土系桿拱橋的設計規程相對完善，但關于鋼管混凝土系桿拱橋檢測規程的評定理論及評定方法尚需進一步討論。雖然鋼管結構的制造及核心混凝土的澆灌分別符合現行的《鋼結構設計規范》（GB 50017-2017）和《混凝土設計規范》（GB 50010-2010）的有關規定，但并未過多考慮鋼管和混凝土共同受力的特殊性，對該問題的研究仍是國內外橋梁界的熱點問題。

本文靜動載試驗分析以某鋼管混凝土系桿拱橋為研究對象，獲得鋼管混凝土系桿拱橋在動靜載作用下控制截面的反應實測值，并與鋼管混凝土系桿拱橋的有限元模型的理論值進行對比分析，對結構剛度、強度、穩定性、行車性能以及動力特性做出評定[2]。

1 工程概況

石家莊南二環西延跨南水北調干渠高架橋，主橋位于直線段，跨越南水北調干渠，主橋標準斷面寬度：1.2 m（系梁）+0.625 m（護欄、防落 網）+12.25 m（主車道）+0.625 m（護欄、防落網）+1.2 m（系梁）+1.1 m（肋間縫）+1.2 m（系梁）+0.625 m（護欄、防落網）+12.25 m（主車道）+0.625 m（護欄、防落網）+1.2 m（系梁）[3]。其中，上部結構的拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，系梁采用箱形斷面，吊桿采用帶球鉸的OVMLZM7-85型吊桿。系梁和橫梁為預應力混凝土結構。拱肋、風撐鋼管采用Q345qD鋼板卷，系梁、橫梁采用C50混凝土，空心板采用C40混凝土。設計荷載：城—A級。

試驗孔跨的系桿拱橋立面及跨中橫斷面示意圖如圖1所示。

2 靜載試驗

2.1 建立有限元模型

采用橋梁結構專用程序MIDAS CIVIL建立鋼管混凝土系桿拱橋的有限元模型，其中橋面板和拱肋用一般梁單元模擬，吊桿用桁架單元模擬[4]。該橋結構計算模型及設計荷載效應包絡圖如圖2所示。

2.2 測點布置

鋼管混凝土系桿拱橋進行靜載試驗，主要測試截面包括試驗孔跨拱腳處截面、四分點處截面及跨中截面的撓度和應變[5]。主要測試截面位置如圖3所示。

圖1 系桿拱橋的立面及跨中橫斷面示意圖

圖2 系桿拱橋的模型圖及設計荷載效應包絡圖

當結構在最不利的荷載作用下時，通過對控制截面內的應變測定可以考核其強度是否滿足使用要求[6]。該次控制截面應變測試采用振弦式應變計，搭配智能綜合測試儀。試驗孔主要測試截面的應變測點布置斷面示意圖如圖4（a）所示。

考慮到該橋的結構特點及測試工況，該次靜載試驗，各撓度測點均布置于拱肋底和梁底。試驗孔主要測試截面的撓度測點布置斷面示意圖如圖4（b）所示。

圖4 主要測試截面的測點布置圖

2.3 試驗荷載工況

考慮到現場加載設備，靜力試驗荷載共采用6輛單輛約320 kN的三軸載重汽車充當。鋼管混凝土系桿拱橋的靜載試驗內容如下：

（1）工況1：檢驗A-A截面在最不利活載作用下的最大正彎矩，試驗荷載采用橫向偏心荷載。

（2）工況2：檢驗B-B截面在最不利活載作用下的最大正彎矩，試驗荷載采用橫向偏心荷載。

（3）工況3：檢驗C-C截面在最不利活載作用下的最大正彎矩，試驗荷載采用橫向偏心荷載。

2.4 靜力試驗荷載效率

根據《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01—2015）的規定，并結合本項目實際情況，本次試驗以設計彎矩作為控制彎矩。在試驗荷載作用下，各工況試驗荷載效率系數如表1所示。

表1 試驗荷載效率

2.5 試驗結果與分析

靜載試驗主要是根據結構校驗系數對結構工作狀況進行評定。該次靜載試驗各工況的撓度、應變測試結果如下。

（1）應變測試結果與分析

該橋試驗孔在不同加載工況下，主要測點應變校驗系數如表2所示。系桿拱橋分別在工況2和工況3荷載作用下，主要測試截面的應變實測值與理論值的對比曲線圖如圖5所示。

圖5 主要測試截面的應變實測值與理論值對比曲線圖

由表2可知，系桿拱橋在不同荷載工況作用下，各測點應變校驗系數均小于規范允許值1.0，說明其結構強度滿足設計要求。

（2）撓度測試結果與分析

該橋試驗孔在不同加載工況下，主要測點撓度校驗系數如表3所示。系桿拱橋分別在工況2和工況3荷載作用下，主要測試截面的撓度實測值與理論值的對比曲線圖如圖6所示。

表2 應變校驗系數表

圖6 主要測試截面的撓度實測值與理論值對比曲線圖

由表3可知，系桿拱橋在不同加載工況下，各測點撓度校驗系數均小于規范允許值1.0，說明其結構剛度滿足設計要求。

（3）索力測試結果與分析

該橋試驗孔在工況3荷載作用下，主要吊桿索力校驗系數如表4所示，主要吊桿索力的實測值與理論值的對比曲線圖如圖7所示[7]。

表3 撓度校驗系數表

表4 索力校驗系數表

圖7 工況3主要吊桿索力的實測值與理論值的對比曲線

由表4可知，系桿拱橋在荷載工況3作用下，索力校驗系數均小于1.0，說明其結構內力及索力調整與設計相符。

3 動載試驗及結構模態測試

3.1 動載試驗

動力響應是橋梁力學響應里一個重要的特性指標。動力荷載試驗的目的就是通過測定特定部位在動荷載作用下的橋梁變形或應力的變化規律，評定車輛對橋梁的沖擊作用，為日后的橋梁運營及養護管理提供建議。

（1）測點布置

系桿拱橋動載試驗的測點布置在系梁跨中底部位置。

（2）試驗荷載工況

在各種不同的行車條件下，測量試驗孔跨中斷面動應變測點的動應變曲線。本次測試取1輛32 t車輛按照 10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h的速度進行跑車試驗，每個速度工況重復2次。

（3）試驗結果與分析

動應變是反映橋梁動剛度特性的一個物理量，經處理分析后得出的沖擊系數能綜合地反映動荷載對橋梁的作用[8]。沖擊系數的實測值與理論值的對比曲線圖如圖8所示。

圖8 沖擊系數的實測值與理論值的對比曲線圖

由圖8可知：實測沖擊系數均小于理論計算值，說明橋面平順，行車性能滿足要求。

3.2 結構模態測試

結構模態與其剛度、質量分布及約束情況有關，它是從整體上表征橋梁結構狀態的一個量。為從整體上把握鋼管混凝土系桿拱橋的運營狀態，對其進行結構模態的檢測，并將檢試結果與有限元模擬結果進行對比分析。

（1）測點布置

為測試系桿拱橋的動力特性，在系梁1/6跨、1/4跨、1/2跨、3/4跨、5/6跨兩側各布置一個拾振器。

（2）試驗結果及分析

為保證結構模態結果分析的正確性，本次試驗借助橋梁結構專用程序MIDAS CIVIL建立鋼管混凝土系桿拱橋的有限元模型，對系桿拱橋進行結構計算分析。結構模型一階振型圖如圖9（a）所示，結構一階振型理論計算結果如表5所示，實測結構一階振型如圖9（b）所示，結構實測頻譜如圖9（c）所示。

圖9 系桿拱橋的一階振型圖及實測頻譜圖

由表5可知：系桿拱橋計算基頻為0.76 Hz，而實測基頻為0.97 Hz，說明系桿拱橋的動剛度大于設計值，具有較好的動力特性。

5 結論

通過對某鋼管混凝土系桿拱橋靜動載試驗研究，可以得出以下結論：

表5 系桿拱橋結構模態理論計算結果

（1）在靜荷載作用下，各測點撓度校驗系數最大為0.71，應變校驗系數最大為0.80，均小于規范規定的限值1.0，說明結構剛度和強度均滿足設計要求。

（2）在動荷載作用下，實測沖擊系數小于理論沖擊系數，說明該結構的行車性能良好；同時，系桿拱的計算基頻為0.76 Hz，實測基頻為0.97 Hz，說明系桿拱橋的動剛度大于設計值，具有良好的動力特性。