上承式大跨度鋼筋混凝土多孔拱橋荷載試驗研究★

沈洋樂 張廣潮 趙 磊

(1.岳陽市城市建設投資集團有限公司，湖南 岳陽 414000； 2.中鐵武漢勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430074； 3.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075)

1 工程概況

奇康路大橋位于湖南省岳陽市奇家嶺片區，該橋橫跨北港河，連接岳陽主干道湘北大道和白石嶺經濟技術開發區，于2018年12月20日建成通車。橋梁全長432.06 m，包括主橋和引橋，全橋立面如圖1a)所示。主橋為22+7×38+22=310 m上承式拱橋，主拱與腹拱均采用單箱八室截面[1]，如圖1b)所示，每個箱室凈寬2.95 m，拱肋高1.4 m，頂板與底板厚0.22 m，腹板厚0.6 m。主拱與腹拱僅在邊跨位置固結，其余位置則采用簡支連接，拱上填料采用泡沫輕質土，拱頂道路中心線處填料厚度0.6 m。引橋采用4×30=120 m預應力混凝土連續箱梁橋，引橋箱梁為單箱五室截面，梁高1.8 m，頂板厚0.22 m，底板厚0.22 m～0.4 m，腹板厚0.4 m～0.6 m，懸臂端最外側厚0.22 m。主橋及引橋的橋寬均為29 m，橋面為雙向六車道，兩側各設置0.25 m的欄桿和3 m的人行道，中央設置0.5 m分隔帶。

2 有限元模型分析

2.1 有限元模型的建立

借助通用有限元軟件Midas/Civil建立奇康路大橋的理論分析模型[2]，采用空間梁單元模擬主拱、腹拱以及引橋主梁，拱上的泡沫輕質土采用桁架單元進行模擬。將每個主拱離散為72個梁單元，每個腹拱離散為36個梁單元，每跨引橋離散為120個梁單元，泡沫輕質土沿著主橋縱向離散為576個桁架單元，全橋共1 440個單元，1 356個節點。

主拱為兩鉸拱，為模擬主拱的邊界條件，約束每個主拱拱腳節點3個方向的平動自由度。邊跨腹拱與主拱固結，其余腹拱與主拱鉸接，為了模擬腹拱的邊界條件，除在邊跨處腹拱的拱腳與主拱共節點，其余腹拱在拱腳處均采用釋放梁端約束，以模擬與主拱的鉸接[3]，所建立的橋梁結構有限元模型如圖2所示。

2.2 橋梁結構靜力分析

按照規范和設計資料為所建立的有限元模型施加荷載，對橋梁結構靜力性能進行分析，主要計算橋梁結構成橋階段在最不利荷載組合狀態下的應力和撓度分布[4,5]。

橋梁在承載能力極限狀態下結構應力結果如圖3所示，由圖3可知，在最不利荷載組合狀態下，主橋要縱橋向以受壓為主，以主拱1為例，其拱腳與拱頂截面的壓應力分別為0.50 MPa和0.32 MPa。

圖4為橋梁在承載能力極限狀態下結構撓度結果，由圖4可知，主橋主拱沿縱橋向最大撓度出現在主拱3拱頂截面，為0.57 mm，主橋腹拱沿縱橋向最大撓度出現在腹拱3拱頂截面，為1.39 mm。

2.3 橋梁結構動力特性分析

借助所建立的有限元模型對橋梁結構的動力特性進行計算分析，得到主橋和引橋的一階振型模態如圖5所示。由圖5可知，主橋和引橋一階振型均表現為豎向彎曲，通過計算獲得主橋和引橋一階頻率分別為3.59 Hz和4.54 Hz。

3 靜載試驗

3.1 荷載工況

根據該橋的特點，擬進行試驗的工況如下：

1)主拱圈跨中截面正載及偏載工況(圖1中截面4—4,8—8,12—12,16—16,20—20,24—24,28—28)。

2)主拱圈拱腳截面正載及偏載工況(圖1中截面1—1,3—3，5—5，7—7，9—9，11—11，13—13，15—15，17—17，19—19，21—21，23—23，25—25，27—27，29—29，31—31)。

3)腹拱圈拱頂截面正載及偏載工況(圖1中截面2—2，6—6，10—10，14—14，18—18，22—22，26—26，30—30)。

4)引橋邊跨最大正彎矩截面(距橋臺13 m)、中跨支點最大負彎矩截面和中跨最大正彎矩截面(中跨跨中)，如圖1中截面32—32，33—33，34—34。

3.2 測試內容

在靜力荷載作用下，主要對各個控制截面的應變和撓度數據進行測量，同時對橋梁主體結構的裂縫情況進行觀測[6]。對于應變數據，在橋梁混凝土表面粘貼應變片進行測量，采用DH3816靜態應變測試系統實現應變數據的采集，對于撓度數據，采用高精度電子水準儀進行測量。

3.3 測點布置

沿橋梁縱向在每個主拱的拱頂和拱腳、腹拱的拱頂，以及引橋邊跨和中跨的跨中及支點處共計34個截面布置應變測點。根據CJJ/T 233—2015城市橋梁檢測與評定技術規范規定，對應變試驗測點橫橋向不得少于3點，結合該橋的箱梁結構型式，對截面進行應變測試的測點橫截面布置如圖6所示。

對于撓度測量，沿橋梁縱向在主拱、腹拱、引橋邊跨和引橋中跨共計17個截面布置撓度測點，每個截面沿橫橋向在兩側人行道內邊緣和中間分隔帶處各布置1個測點，工程加載車布置如圖7所示。

3.4 加載車位置

本試驗以采用最小的加載車輛盡可能提高加載效率為原則，同時在加載條件滿足的情況下，適當的合并加載工況，進而簡化加載工況，以縮短試驗時間，最終確定加載位置[7]。對于主橋，每個主拱和腹拱的拱頂與兩端拱腳三個截面作為加載點；對于引橋，邊跨取跨中最大正彎矩截面，中跨取跨中最大正彎矩截面和支點最大負彎矩截面作為加載點，各個截面均考慮正載和偏載兩種工況，主拱拱頂正載示意圖如圖7所示。

3.5 測試結果

3.5.1撓度測試曲線

圖8為靜力荷載作用下主橋主拱1和引橋中跨正載加載工況對應的荷載—撓度曲線。由圖8a)可知，在正8車靜力荷載作用下，主橋主拱1實測最大撓度值為0.55 m，對應的理論計算值為0.57 mm，即實測值接近且小于理論計算值，其余各主拱和腹拱撓度結果均滿足該規律，說明主橋剛度滿足規范和設計要求。從圖8b)中可以看出，引橋中跨在正8車靜力荷載作用下，實測跨中撓度為2.69 mm，小于對應的有限元模型計算值3.15 mm，由此說明引橋剛度滿足規范和設計要求。

3.5.2應變測試結果

主橋各跨主拱拱頂在靜力荷載作用下，檢測結果如表1所示，應變校驗系數在0.67～0.99之間，實測值與計算值具有一致的規律性，且數值相接近。說明主橋的強度滿足規范和設計要求。

表1 主橋各跨主拱拱頂應變檢測結果

靜力荷載作用下，引橋應變檢測結果如表2所示，由表2可知，引橋應變校驗系數在0.86～0.96之間，實測值均小于且接近理論計算值，說明引橋的強度滿足規范和設計要求。

表2 引橋應變檢測結果

4 動載試驗

4.1 荷載工況

動載試驗工況分為脈動、跑車、剎車以及跳車4種[8]，每種工況均對7個主拱圈、8個腹拱圈、2個橋端半拱以及引橋邊跨和中跨分別進行加載，共計76種荷載工況。脈動試驗是測量橋梁在無車輛通行時，在環境隨機激振下的動態響應，進而提取橋梁的自振特性。跑車試驗采用2輛重車在中央分隔帶兩側并排行駛，行駛速度分別取10 km/h，30 km/h和50 km/h。跳車和剎車試驗則在主橋每個主拱和腹拱拱頂截面以及引橋中跨和邊跨跨中截面處進行跳車和剎車，其中，剎車車速為30 km/h，跳車車速為10 km/h，跳車楔塊高度為10 cm[9]。

4.2 測試內容

在動力荷載試驗中，采用941B拾振器測量橋梁結構各個截面在各種工況作用下的動態位移，進而得到橋梁結構的自身動力性能，即自振特性，包括結構自振頻率、阻尼比和振型，以及橋梁在汽車荷載作用下橋梁結構的動態響應規律，確定結構的動力放大系數，即沖擊系數[10]。

4.3 測點布置

將橋梁沿縱向分為三段分別進行測量，在橋端設置一個參照點，最終通過參照點將三段測試所得數據進行整合分析。梁縱向在每個主拱圈和腹拱圈的支點與跨中截面布置941B型拾振器，拾振器沿橋梁橫向放置在非機動車道外邊緣處。

4.4 脈動實測結果

圖9為主橋在自然環境下的脈動試驗結果曲線，由圖9可知，實測主橋基頻為4.25 Hz，高于采用有限元模型分析得到的主橋理論基頻3.59 Hz。引橋實測基頻為4.75 Hz，高于其理論基頻4.54 Hz，說明該橋梁結構的動剛度能夠滿足規范和設計要求。

4.5 跳車及跑車實測結果

圖10為主橋跳車試驗結果，由圖10可知，在該次跳車工況下，橋梁最大動撓度為0.026 44 mm，將多次跳車工況結果匯總可知，主橋各跨實測動撓度在0 mm～0.065 mm范圍內，阻尼比2.02%～13.08%范圍內；引橋各跨實測動撓度在0 mm～0.474 mm范圍內，實測阻尼比在2.71%～6.78%范圍內。

圖11給出了時速為30 km/h的跑車試驗時程曲線，由圖11可知，在該種跑車工況下，橋梁最大動位移0.002 08 mm，最小動位移為0.001 52 mm，由此可算橋梁結構的動力沖擊系數。橋梁結構沖擊系數(動力放大系數)應根據跑車試驗中不同速度下記錄的動變位曲線進行分析，并應按下列公式計算[11,12]：

(1)

(2)

其中，μdyn為動力放大系數(沖擊系數)；Smax為車輛行駛時，動態車輛荷載作用下測點的最大變位；Smin為車輛行駛時，動態車輛荷載作用下測點的最小變位；Smean為車輛行駛時，動態車輛荷載作用下測點的平均變位。

將跑車試驗數據代入式(1)和式(2)計算可得，主橋各跨實測動撓度在0 mm～0.012 mm范圍內，其沖擊系數在0.10～0.45范圍內，最大沖擊系數為0.45。引橋各跨實測動撓度在0 mm～0.049 mm范圍內，沖擊系數在0.11～0.42范圍內，最大沖擊系數為0.42。

由以上分析可知，各跨橋梁結構在脈動、跳車以及跑車等各種工況動力荷載作用下，實測橋梁結構的基頻均大于理論分析值，說明橋梁結構動剛度能夠滿足規范和設計要求[13]。

5 結語

本文以岳陽市奇康路大橋為研究對象，采用Midas/Civil軟件建立橋梁的有限元模型進行理論分析，通過開展現場靜力和動力荷載試驗，將試驗結果與理論分析結果進行比較，得出以下結論：

1)奇康路主橋和引橋各跨在靜力荷載作用下，各個截面應變、撓度實測值均小于理論計算值，橋梁結構工作正常，承載力和剛度滿足規范和設計要求。

2)奇康路主橋和引橋各跨在脈動、跑車以及跳車等動力荷載工況下，結構響應正常，實測頻率均大于理論計算值，橋梁動剛度以及沖擊系數等能夠滿足規范和設計要求。

綜上所述，岳陽奇康路大橋在靜力和動力荷載試驗時，結構均處于正常工作狀態，該橋梁結構能夠滿足設計荷載通行使用要求。