帶有飛燕的中承式大跨徑鋼管混凝土拱橋靜載試驗(yàn)與分析研究

馮永清

（山西路橋第一工程有限公司，山西 太原 030006）

橋梁靜載試驗(yàn)[1-2]是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)施加靜力荷載并測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)控制截面的應(yīng)變及撓度，從而驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性及施工質(zhì)量，確保橋梁安全投入運(yùn)營(yíng)，同時(shí)亦為后期運(yùn)營(yíng)階段的養(yǎng)護(hù)積累資料。

本文選取我國(guó)某市大橋?qū)嶋H工程參數(shù)，測(cè)試該橋吊桿、主拱肋、鋼縱梁、橫梁、立柱在不同荷載工況下控制截面的索力、應(yīng)變及撓度值，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行校驗(yàn)分析，研究在不同荷載工況下的抗彎剛度、抗裂性能以及強(qiáng)度，評(píng)估大橋目前實(shí)際的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，驗(yàn)證大橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性及施工質(zhì)量。

1 橋梁概況

我國(guó)某市大橋采用主橋?yàn)閹эw燕的中承式大跨徑鋼管混凝土拱橋，橋梁結(jié)構(gòu)的跨徑布置為（40+135+40）m。主橋拱圈與拱座基礎(chǔ)固結(jié)，主跨跨中主梁采用鋼格構(gòu)疊合梁模式，半漂浮體系設(shè)計(jì)。主拱軸線線形采用懸鏈線，理論拱軸線拱腳水平距離L=135 m，矢高為30 m，矢跨比為1∶4.5，拱軸系數(shù)m=1.5，兩拱肋軸線橫向間距為26.75 m，橋梁凈寬29.75 m（2.75 m拱圈錨固區(qū)+4.5 m人行道+3.5 m非機(jī)動(dòng)車(chē)道+15.75 m車(chē)行道+0.5 m防撞護(hù)欄+2.75 m拱圈錨固區(qū)）。邊跨設(shè)置門(mén)式飛燕以提供系桿的張拉構(gòu)造，飛燕軸線采用拋物線線形。荷載及車(chē)道：?jiǎn)蜗蛩能?chē)道考慮；汽車(chē)荷載為公路I級(jí)，人群荷載為3.5 kN/m2。

圖1 中承式鋼管混凝土拱橋原型

2 控制斷面內(nèi)力計(jì)算

為了有效驗(yàn)證大橋靜載試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，采用有限仿真方法對(duì)該橋進(jìn)行控制斷面內(nèi)力的計(jì)算。

a）計(jì)算讀取在各加載工況下各控制截面的最大靜應(yīng)變。

（a）主拱圈 跨中截面1-1軸力、3L/4截面2-2正彎矩、拱腳截面3-3負(fù)彎矩和軸力。

（b）鋼縱梁（主跨跨中和3L/4）A-A、B-B 最大正彎矩控制截面。

（c）鋼橫梁（主跨南D4′號(hào)吊桿下橫梁）C-C跨中正彎矩控制截面。

（d）立柱（南側(cè)拱腳西側(cè)中間位置）D-D、E-E、F-F 上、中、下3個(gè)軸力測(cè)試截面。

b）計(jì)算讀取在各加載工況下各控制截面的最大靜撓度（在主跨八分點(diǎn)、主跨伸縮縫及飛燕拱跨中位置分別布置撓度測(cè)點(diǎn)；在試驗(yàn)橫梁布置撓度測(cè)點(diǎn)）。

c）吊桿張力進(jìn)行計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。對(duì)活載作用下全橋吊桿張力進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)主要工況作用下測(cè)試斷面附近3～4對(duì)吊桿的張力進(jìn)行檢測(cè)；根據(jù)吊桿軸力包絡(luò)圖，增加設(shè)計(jì)荷載作用下I型、Ⅱ型吊桿最大軸力工況（Ⅱ型吊桿選南D2′號(hào)吊桿、I型吊桿選南D4′號(hào)吊桿）測(cè)試。

d）觀測(cè)各荷載工況作用下梁體開(kāi)裂情況。

圖2 各內(nèi)力控制斷面布置圖（單位：cm）

2.1 有限元模型的建立

為了確定該橋的承載力，檢測(cè)對(duì)該橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析[3-5]。依據(jù)橋梁施工圖紙，用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas進(jìn)行建模計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果作為荷載試驗(yàn)的理論計(jì)算結(jié)果。建立的Midas計(jì)算模型（端橫梁調(diào)整無(wú)阻尼）如圖3所示。

圖3 某橋計(jì)算模型圖

2.2 活載內(nèi)力、撓度及應(yīng)變計(jì)算

橋梁竣工驗(yàn)收時(shí)，一期恒載、二期恒載已作用于結(jié)構(gòu)上，因此荷載試驗(yàn)主要是測(cè)試結(jié)構(gòu)在活載作用下效應(yīng)及響應(yīng)。根據(jù)建立的有限元模型，荷載考慮偏載和中載，計(jì)算控制斷面內(nèi)力值，在設(shè)計(jì)荷載作用下主拱圈的內(nèi)力和軸力以及主梁的彎矩值、撓度、應(yīng)變值。

3 大橋靜載試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)斷面的選擇與試驗(yàn)荷載效率

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力最不利的原則，選擇控制斷面（因篇幅所限，工況2～工況14在表1所列）。

表1 靜載試驗(yàn)加載效率一覽表

a）工況1 測(cè)試3～16號(hào)吊桿（即：北D3～南D3′）在活載作用下的索力。

b）工況15 全橋異常變形觀察工況。按主拱圈正彎矩最不利加載位置布置三列車(chē)并排沿全橋慢速行駛。觀察荷載作用下不同部位的混凝土是否出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象及橋跨結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)異常變形。

靜載試驗(yàn)加載的充分程度可采用靜載試驗(yàn)效率來(lái)評(píng)價(jià)[6]，通過(guò)設(shè)計(jì)內(nèi)力值與實(shí)際試驗(yàn)荷載內(nèi)力值進(jìn)行分析可得該橋測(cè)試斷面的靜力試驗(yàn)荷載效率。各工況試驗(yàn)加載效率如表1所示。

表2數(shù)據(jù)表明：各工況測(cè)試截面在試驗(yàn)荷載下的加載效率基本滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中的規(guī)定，保證了試驗(yàn)的有效性。

表2 加載車(chē)輛軸重匯總

3.2 試驗(yàn)荷載的選擇

試驗(yàn)按公路I級(jí)汽車(chē)荷載考慮，先根據(jù)縱、橫向不利布載，計(jì)算車(chē)道荷載作用下的不利內(nèi)力效應(yīng)，然后按內(nèi)力等效的原則確定試驗(yàn)荷載。此次試驗(yàn)處采用配重的汽車(chē)荷載進(jìn)行加載。試驗(yàn)荷載采用15輛35 t的重型車(chē)，車(chē)型布置如圖4、表2所示。

圖4 試驗(yàn)車(chē)輛荷載圖示

3.3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

3.3.1 該橋試驗(yàn)荷載下的控制截面應(yīng)變和撓度布置

為了測(cè)試該橋拱肋在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)力（應(yīng)變）狀況和變形情況，分別在1-1～F-F截面布設(shè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，具體位置和編號(hào)分別見(jiàn)圖5中a、b、c；為了測(cè)試橫梁在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)力（應(yīng)變）狀況，在試驗(yàn)橫梁布設(shè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，主跨橫梁（主拱南D4′號(hào)吊桿下橫梁）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的具體位置和編號(hào)分別見(jiàn)圖5中f、h；為了檢測(cè)橋面板與縱梁、橫梁的協(xié)同工作情況，在縱梁和橫梁的控制截面處的橋面板底板布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，具體位置和編號(hào)見(jiàn)圖5中d、e、h；為了測(cè)試立柱在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)力（應(yīng)變）狀況，在試驗(yàn)立柱布設(shè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，具體位置見(jiàn)圖5中g(shù)；在橋面上布設(shè)撓度測(cè)點(diǎn)，用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，具體位置和編號(hào)見(jiàn)圖5中k。同時(shí)對(duì)橋臺(tái)沉降和水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置匯總圖

3.3.2 吊桿索力測(cè)試

為了測(cè)試吊桿索力，在主拱3～16號(hào)吊桿距離橋面約1.8 m位置布設(shè)吊桿張力弦振法測(cè)點(diǎn)。另外為了測(cè)試吊桿在荷載下的索力增量，在吊桿上安裝自制的千分表引伸計(jì)（引伸計(jì)安裝見(jiàn)圖6）。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)引申計(jì)吊桿索力增量測(cè)試

3.3.3 該橋試驗(yàn)荷載下的加載工況布置

各工況縱向、橫向加載情況及加載車(chē)輛位置如圖7、圖8。

圖7 各工況車(chē)輛縱橋向加載位置示意圖（單位：m）

圖8 各工況車(chē)輛橫橋向加載位置示意圖（單位：cm）

3.4 大橋荷載試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.4.1 撓度分析

圖9數(shù)據(jù)表明：該橋各工況下橋面各控制截面的主要撓度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大值為20.50 mm，校驗(yàn)系數(shù)平均值在0.60～0.83范圍內(nèi)，低于《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》規(guī)定的上限值1.05。縱橋向撓度實(shí)測(cè)曲線與理論計(jì)算曲線相吻合，各工況卸載后結(jié)構(gòu)的位移回零良好，無(wú)明顯殘余位移。

圖9 主跨各工況撓度計(jì)算值、實(shí)測(cè)值（只含中載）

3.4.2 應(yīng)變分析

圖10數(shù)據(jù)表明：該橋主拱肋、鋼縱梁、鋼橫梁和立柱各工況下主要應(yīng)變測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大值為205 με，校驗(yàn)系數(shù)平均值在0.78～0.90范圍內(nèi)，低于《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》[7]規(guī)定的上限值1.05。各工況卸載后結(jié)構(gòu)的應(yīng)變回零良好，無(wú)明顯殘余變形。

圖10 主跨各工況應(yīng)變計(jì)算值、實(shí)測(cè)值

3.4.3 吊桿索力增量分析

圖11數(shù)據(jù)表明:該橋各主要吊桿在各工況活載作用下索力增量校驗(yàn)系數(shù)在0.93～1.00范圍內(nèi)，索力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本吻合，且活載作用下吊桿實(shí)測(cè)索力值遠(yuǎn)低于各吊桿允許拉力。

圖11 主跨各工況索力計(jì)算值、實(shí)測(cè)值

3.4.4 抗裂分析

在各工況加載測(cè)試中，經(jīng)觀察該橋鋼結(jié)構(gòu)和混凝土表面未出現(xiàn)裂紋或裂縫，拱肋、鋼縱梁、鋼橫梁和系桿等結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)異常變形且拱腳未出現(xiàn)沉降和水平偏位。說(shuō)明結(jié)構(gòu)的抗裂性能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

a）該橋主跨吊桿在恒載作用下實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值基本吻合，在活載作用下的索力增量校驗(yàn)系數(shù)在0.93～1.00范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值基本相符。在恒載作用下雖有部分吊桿索力實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值偏差超過(guò)了《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中規(guī)定的10%，但由于該橋已運(yùn)營(yíng)3年，橋面線形會(huì)發(fā)生一定的變化，吊桿索力會(huì)重新分配。而且吊桿平行鋼絲實(shí)測(cè)應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于其允許值，我們認(rèn)為該橋各吊桿安裝及受力性能還是滿足設(shè)計(jì)要求的。

b）該橋撓度校驗(yàn)系數(shù)平均值在0.60～0.83范圍內(nèi)、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)平均值在0.78～0.90范圍內(nèi)，均低于《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》規(guī)定的上限值1.05，表明該橋在荷載作用下處于良好的彈性工作狀態(tài)，主拱肋、鋼縱梁和鋼橫梁的縱向抗彎剛度、強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，鋼管混凝土立柱上下受力均勻，各部件協(xié)同工作性能良好。

c）該橋各工況下左、右側(cè)應(yīng)變和撓度的變化趨勢(shì)與理論計(jì)算相一致，表明該橋橫向連接性能良好。

d）各工況加載過(guò)程中，該橋鋼結(jié)構(gòu)和混凝土表面均未出現(xiàn)裂紋或裂縫，橋跨結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)異常變形，表明該橋整體結(jié)構(gòu)狀況良好。

e）各工況卸載后結(jié)構(gòu)的位移回零良好，無(wú)明顯殘余位移，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)。

f）由實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出該橋的校驗(yàn)系數(shù)處于正常范圍，表明理論計(jì)算建立的有限元分析模型可靠，滿足工程精度要求。