某大跨度鋼管混凝土拱梁組合橋荷載試驗研究

羅慧苓

(福州理工學院 福建福州 350506)

0 引言

鋼管混凝土拱梁組合橋結構體系簡單，剛度大，受力合理，在工程實踐中廣泛應用[1-2]。目前，荷載試驗是驗證結構設計方法，檢驗施工質量，了解橋梁實際工作狀況的最有效方法。同時也為竣工驗收，后期管養提供基礎性數據[3]。門廣鑫[4]對3跨三孔中承式鋼管混凝土拱橋進行了荷載試驗，判定了結構整體性能，并為日常維護與后期加固提供了基礎數據；鄭曉斌[5]對鋼管混凝土系桿拱橋進行了成橋荷載試驗研究，分析了結構強度與剛度，并鑒定了橋梁實際承載力。

拱梁組合橋拱肋與主梁共同受力，吊桿是拱梁組合橋中重要組成構件，起到將橋面荷載傳遞給拱肋的作用。近年來，由于吊桿銹蝕或疲勞，發生了多起吊桿斷裂事故，引發了吊桿內力重分布與連續性破壞，嚴重時橋面坍塌并掉入橋下，造成一定的人員傷亡與經濟損失，如宜賓小南門橋、武夷公館橋等吊桿斷裂事故。

基于此，為了評估大跨度鋼管混凝土組合拱橋實際工作性能及結構安全性，本試驗進行了大橋靜動載試驗，測試與分析了試驗荷載作用下控制截面的應變、撓度，以及結構動力基本特性；同時，基于試驗結果，對結構安全性進行了討論，重點研究了單根吊桿斷裂時吊桿安全度的變化。

1 工程背景

如圖1所示，某橋主跨為107m鋼管混凝土啞鈴形拱橋，采用拱梁組合簡支體系，結構內部超靜定、外部靜定。拱腳處不平衡水平推力由預應力混凝土箱梁承受。

圖1 某鋼管混凝土拱橋總體布置圖(單位：cm)

主拱肋采用鋼管混凝土結構，拱軸線采用二次拋物線，計算跨徑107m，矢跨比為1/5。拱肋橫斷面為豎啞鈴型，截面高3.4m。上、下鋼管為φ140cm的空鋼管，兩管之間用鋼腹板和加勁鋼板連接形成整體，管內及腹腔內灌注C50補償收縮混凝土。

主梁為單箱五室變截面預應力箱梁，跨中梁高3.0m，中腹板、邊腹板分為0.4m與1.5m；根部梁高3.5m，中腹板、邊腹板分為1.5m與3.0m。

吊桿間距5m，采用139根Φ7mm高強度環氧涂層鋼絲，分兩次張拉。錨具采用OVM.LZM7-139型冷鑄鐓錨頭。

施工方法——先梁后拱，即先搭支架現澆預應力箱梁，而后搭設拱肋，最后安裝吊桿。

2 有限元分析模型

采用橋梁專業軟件MIDAS/Civil，建立有限元計算模型，如圖2所示。吊桿采用桁架單元外，其余構件采用三維梁單元模擬。拱肋采用雙單元，分別模擬空鋼管與管內混凝土。橋面鋪裝僅考慮重量，不計剛度貢獻。支座采用彈性連接模擬。有限元分析模型共計461個節點，646個單元。

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圖2 有限元分析模型

3 靜載試驗

3.1 測試內容

靜載試驗具體測試內容如下：

(1)拱肋：L/4跨，跨中以及3L/4跨的結構撓度(圖3中1-3測點)；L/4跨，跨中及拱腳截面應變(圖3中A-C斷面)。

(2)主梁：跨中、L/4及3L/4處結構撓度(圖3中4-6測點)；跨中應變(圖3中D斷面)；

圖3 測試點與斷面布置

(3)吊桿：恒載作用下吊桿索力。

3.2 荷載工況

按結構內力影響線等效加載，加載試驗共計8個荷載工況，如表1所示，共使用了6輛約37t的三軸載重車輛。表中可見，各荷載工況下試驗效率系數均滿足公路橋梁承載能力檢測評定規程(JTG/T J21-2011)[6]規定試驗效率系數0.95～1.05之間的要求。

表1 靜力荷載試驗工況

3.3 撓度測試

撓度測試使用儀器，包括千分表、精密水準儀及銦瓦合金尺等。加載前后各關鍵測點高程變化即為撓度值。篇幅限制，表2與圖4僅列出最不利荷載工況3的試驗結果。從列出的結果可見，各測點實測值與理論值變化規律一致，但小于理論值。橋面與拱肋測點校驗系數分別在0.57～0.81與0.52～0.70之間，最大殘余變形滿足規程[6]小于20%的要求。撓度測試結果表明，橋梁結構尚處在彈性工作階段，整體剛度能達到公路Ⅰ級設計荷載要求。

(a)上游側

表2 工況3下結構撓度實測值

3.4 結構應變

主梁5箱室底緣各布設1個應變測點，拱肋上下緣各布設1個應變測點。工況3跨中截面應變量測值如表3所示。各測點應變值均較小，結構整體受力均勻，同時試驗值均小于設計值。各荷載工況下，拱肋、主梁應變校驗系數分別在0.64～0.73與0.71～0.77之間，最大殘余應變滿足規程[7]要求。可見，該橋梁結構可承受公路Ⅰ級設計荷載。

表3 工況3下結構應變實測值

3.5 吊桿索力

(a)上游側

4 動載試驗研究

4.1 自振特性測試

加速度傳感器，采集在環境荷載作用下的振動加速度信號。經過模態分析，得到頻譜圖、第一階振型示于圖6。實測面內一階自振頻率1.86Hz大于理論計算值1.75Hz，實測振型與理論計算一致。

(a)面內實測頻譜圖

4.2 強迫振動試驗

強迫振動試驗在橋跨跨中截面布置測點，由電應變片與DH5920動態信號采集系統量測動應變，將動應變時程曲線進行時域分析后，得出不同車速對橋梁的沖擊系數，如表4所示。由表4可知，時速30km/h時，車輛對拱肋沖擊最大，換算沖擊系數最大值0.12，小于規程[7]規定的設計計算取值0.18。

表4 實測沖擊系數

4.3 加速度響應

各工況不同車速下，跑車試驗加速度幅值列于表5。由表5可見，30km/h跑車時加速度響應最大，為0.033g，未超過引起人體不適的限值0.065g。

表5 橋面各工況下跑車試驗的加速度幅值

5 結構安全度分析

基于荷載試驗結果，將各構件測試最小安全度列于表6。表6中可見，吊桿最小安全度數值最小，結構如發生破壞可能從吊桿開始。

表6 各構件最小安全度

當結構發生單根吊桿斷裂，分別取拱腳1#短吊桿斷裂，跨中9#長吊桿斷裂，L/4處5#吊桿斷裂3種情況，研究與分析吊桿安全度變化，結果詳見圖7、表7。由表、圖可見，跨中9#吊桿斷裂結構受力最為不利，其中主梁撓度增加2.8mm，而且，該工況引發相鄰8#與10#吊桿索力增加幅值最大，吊桿最小安全度下降至1.03，但結構仍滿足安全度大于1.0要求。

圖7 單根吊桿斷裂主梁撓度變化(單位：m)

表7 單根吊桿破斷后各吊桿安全度變化表

圖8示出單根吊桿斷裂情況下，拱肋最大組合應力云圖。由圖8可見，即使發生單根吊桿斷裂，拱肋應力增加幅值小，組合應力值均小于設計強度值。

(a)1#斷裂鋼管應力

6 結論

(1)該組合橋各荷載工況下實測結構應力與撓度值均小于理論值，說明結構尚處彈性工作階段，承載力滿足設計荷載要求。

(2)動力響應正常，實測面內一階自振頻率大于理論計算值；當車速30km/h時，車輛對拱肋沖擊系數最大，數值為0.12。

(3)鋼管混凝土組合拱結構各組成構件中，以吊桿結構安全度最小；當單根吊桿發生意外斷裂時，以跨中9#吊桿斷裂時結構受力最為不利，但吊桿斷裂后的結構仍然滿足安全要求。