基于橋梁荷載試驗的山區大跨徑拱橋橫向剛度研究

王 華, 宋 波, 張建仁, 彭建新

(1.貴州省質安交通工程監控檢測中心有限責任公司， 貴州 貴陽 550000； 2.湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015； 3.長沙理工大學 土木與建筑學院， 湖南 長沙 410114)

隨著橋梁施工技術及新型材料的不斷更新，大跨徑橋梁技術得到越來越多的發展。越來越多的新理論、新計算方法不斷融入到橋梁建設中[1-3]，各種形式的橋梁如雨后春筍般出現。各種類型的橋梁通過荷載試驗能夠客觀、準確地評價橋梁所處的狀態、實際結構受力狀況和承載能力[4-6]，驗證設計計算結果，評價大橋在設計使用荷載下的結構性能，為后續設計理念及材料選擇提供參考，同時可為橋梁使用階段的結構健康監測和運營管理提供基本信息或參考依據。

1 橋梁概況

貴州省普定縣夜郎湖特大橋橋跨布置：全橋共三聯2×30m先簡支后結構連續預制T梁+210m(凈跨徑)鋼筋混凝土箱型拱+3×30m先簡支后結構連續預制T梁。主橋主拱圈采用單箱室截面，為目前國內跨徑最大的單箱單室懸臂澆筑混凝土拱橋。橋面橫向寬度為10.625m，主拱圈寬度7m(見圖1)。主橋拱上立柱(橫墻)采用支架現澆，兩岸對稱施工；主拱圈采用C55混凝土；引橋下部結構橋臺采用樁柱臺、U臺，橋墩采用柱式墩，橋臺采用樁基礎，橋墩采用樁基礎。

圖1 主拱圈典型橫斷面布置圖(單位： cm)

2 靜載試驗

2.1 試驗內容

本次靜載試驗工況下主要測試主梁撓度及主拱圈縱向應變變形。考慮到該橋為國內單箱室最大跨徑拱橋，且未設置中隔板，本次增測主拱圈橫向應變及橋面橫向撓度參數，檢驗其主拱圈橫向剛度，綜合判斷該橋梁結構力學性能是否滿足設計要求。

2.2 測試截面及測點布置

橋面撓度測試截面：在主跨每條測線共設7個撓度測試截面，共計2條測線，分別布置于兩護欄內側0.1m處。本次撓度測試采用電子水準儀進行采集。

應力(應變)測試截面：應力測試截面共設3個，采用電阻式應變片，匹配DH3819靜態應變測試系統，應力測試截面的具體位置為：織金岸拱腳J1截面、拱腰J2截面、拱頂J3截面。測試截面及測點布置見圖2、圖3。

圖2 主橋撓度及應變測試截面布置圖(單位： cm)

圖3 主拱圈應變布置示意圖(單位： cm)

2.3 荷載試驗工況布置

結構計算中按公路-Ⅰ級最不利布載，取控制截面最大彎矩作為試驗加載截面的控制值。靜力荷載試驗工況及各試驗加載截面的控制內力見表1。

2.4 試驗結果

a. 主梁撓度。

工況5、工況6作用下各測點撓度滿載值見表2。表2中實測結果可知該橋在工況5中載作用下橫向效應比在0.96～1.04，在工況6偏載作用下橫向效應比在1.09～1.13。橫向未出現較大變形差，說明該單箱室截面拱橋橫向剛度滿足正常使用要求。從圖4分析可知，實測彈性撓度小于理論計算值，且相對殘余撓度小于20%，說明該單箱室截面拱橋整體剛度大于設計要求。

表1 主橋靜載試驗荷載效率Table 1 Load efficiency of main bridge under static load test加載工況加載項目試驗計算值/(kN·m)理論計算值/(kN·m)荷載效率備注工況1J1截面最大正彎矩中載(J1M+)25 046.6625 9260.9667車35 tJ2截面最大負彎矩中載(J2M-)-13 037.48-12 8411.015工況2J1截面最大正彎矩偏載(J1M+)25 046.6625 9260.9667車35 tJ2截面最大負彎矩偏載(J2M-)-13 037.48-12 8411.015工況3J1截面最大負彎矩中載(J1M-)-26 794.63-26 572.51.0086車35 tJ2截面最大正彎矩中載(J2M+)14 477.8315 009.90.965工況4J1截面最大負彎矩偏載(J1M-)-26 794.63-26 572.51.0086車35 tJ2截面最大正彎矩偏載(J2M+)14 477.8315 009.90.965工況5J3截面最大正彎矩中載(J3M+)10 992.8911 9470.9206車35 t工況6J3截面最大正彎矩偏載(J3M+)10 992.8911 9470.920

表2 工況5、工況6作用下撓度實測結果Table 2 Measured results of deflection under working con-ditions 5 and conditions 6測試位置工況5中載工況6外側加載外側彈性撓度/mm中央側彈性撓度/mm橫向效應比外側彈性撓度/mm中央側彈性撓度/mm橫向效應比F1-2.02 -2.03 1.00 -2.14 -1.95 1.10F2-1.04 -1.01 1.03 -1.11 -0.98 1.13 F33.87 3.81 1.02 3.98 3.54 1.12 F48.07 8.11 1.00 8.51 7.68 1.11 F52.97 3.05 0.97 3.13 2.88 1.09 F6-1.75 -1.691.04 -1.82 -1.61 1.13F7-1.98 -2.06 0.96 -2.11 -1.88 1.12 注: 表中數據相對殘余撓度均小于20%。

圖4 工況5、工況6作用下實測撓度與理論值對比圖

b.主梁應變。

各工況作用下主拱圈下緣應變實測值見表3。從表3及圖5中數據可知，中載工況下，橫向應變與縱向應變比值為0.18～0.19，偏載工況下橫向知，實測彈性應變平均值小于理論計算值，且相對殘余應變小于20%，說明該單箱室截面拱橋整體剛度大于設計要求。

表3 各工況作用下主拱圈下緣應變實測結果Table 3 Strain measurement results of lower edge of main arch ring under various working conditions 試驗工況測試截面縱向彈性應變平均值/μξ相對殘余應變/%工況1J14115.38工況2J1407.69工況3J23211.63工況4J2319.30工況5J31816.00工況6J31712.00應變理論計算值/μξ校驗系數/%橫向彈性應變平均值橫向應變/縱向應變5278.8570.185276.9280.204374.4260.194372.0970.212572.0030.192568.0040.21

圖5 工況1～工況6作用下實測橫向應變平均值與實測縱向應變平均值對比圖

應變與縱向應變比值為0.20～0.21，比值較小，且在混凝土泊松比正常范圍內，說明該單箱室截面拱橋橫向剛度滿足正常使用要求。從圖6分析可

圖6 工況1～工況6作用下實測應變平均值與理論值對比圖

3 模態試驗

橋梁的動力特性，通常主要通過有限元計算和試驗模態分析兩種方法獲得。通過模態試驗得到橋梁的實測振型并與理論振型對比分析，分析并驗證橋梁結構剛度的合理性。

本次橋梁豎向振型擬全橋選取7個測點，共7個斷面進行測量。每個測試截面只在中央側布置測點，共計7個測點詳細測點布置圖見圖7。

圖7 模態試驗截面布置圖(單位：cm)

模態測試實測振型圖與理論振型圖見圖8～圖13。

圖8 模態測試1階振型圖(f1=0.752 Hz)

圖9 理論計算1階振型圖(f1=0.64 Hz)

圖10 模態測試2階振型圖(f2=1.260 Hz)

圖11 左幅理論計算2階振型圖(f2=1.115 Hz)

由圖中分析可知，主拱圈前三階實測頻率均大于理論頻率，表明主拱圈實測整體剛度均大于設計剛度；主拱圈前三階振型中均為豎向彎曲，未出現橫向彎曲，表明該橋橫向剛度較好，該單箱室截面設計能滿足實際使用需求。

圖12 左幅模態測試3階振型圖(f3=2.568 Hz)

圖13 左幅理論計算3階振型圖(f3=2.026 Hz)

4 結論

基于橋梁荷載試驗對國內跨徑最大的單箱單室懸臂澆筑混凝土拱橋橫向剛度進行研究，得出結論如下：

a.通過撓度橫向對比分析得出在正載及偏載作用下橫向撓度未出現較大差值，且整體回復正常，主橋未出現扭轉趨勢，表明橋梁橫向剛度滿足設計需求。

b.通過應變測試比較分析，主拱圈測點泊松效應在合理范圍，表明材料處于合理受力范圍，主拱圈剛度滿足設計要求。

c.通過模態分析對比，主拱圈橫向剛度較好，結構實測整體剛度大于設計值，結構能滿足實際需求。