下承式鋼桁架拱橋靜力性能試驗與對比

侯淞譯， 王錁

（1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢 430056；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430010）

0 引言

橋梁靜力荷載試驗作為一種科學試驗，是將荷載直接施加到橋梁結構上，進而得到橋梁在實際工作中的受力情況，由此可以對測試的橋梁結構在使用階段的承載能力及運營狀況進行評價［1］。通過對一些新建橋梁結構進行加載試驗，可以檢驗橋梁結構的施工質量能否達到設計和規范要求［2-4］。

文中主要對某下承式鋼桁架拱橋的靜力荷載試驗進行分析，由于橋作為一種特殊式橋梁結構-下承式鋼架拱橋，在設計與施工時都具有一定的技術難度和復雜程度，所以對橋進行運營階段的靜力荷載試驗不僅是對橋安全性的一種檢驗，更可以對未來相似橋型的設計提供重要的參考價值。

1 工程概況

文中研究對象為某（22+106+22）m下承式鋼桁架拱橋。該橋上弦桿的拱軸線采用圓弧線與二次拋物線，下弦桿的拱軸線采用二次拋物線，下拱肋矢高19.27m，矢跨比1/5.5，拱頂桁架高度為3.5m，橋面寬38m，雙向六車道。順橋向方向，橋為整體無推力拱橋，為達到該體系，橋梁在一側拱橋位置處設置固定支座，另一次采用滑動支座。主梁為主縱梁、鋼橫梁、次縱梁共同受力的結構，橋面系為正交異形板。主橫梁的斷面形式為工字型斷面，吊桿采用平行鋼絲吊桿。下部結構橋墩采用柱式墩，鉆孔灌注樁基礎，墩柱與樁基通過承臺連接橋立面布置圖如圖1所示。

圖1 拱橋測試斷面

2 靜載試驗

橋梁靜力試驗是根據理論模型，找出設計荷載作用下結構的最不利截面，在特定位置施加靜載，模擬橋梁運行的最不利情況，并測量相應的變形、應力、索力增量等參數［5］。由于鋼桁架拱橋結構復雜，拱肋承受較大的壓應力，通過荷載試驗，可以清楚地了解鋼桁架拱橋在設計荷載作用下主要受力結構的實際工作狀態，進而判斷鋼桁拱橋的使用性能和承載力，同時為橋梁的運營管理提供參考［6-8］。

2.1 靜載試驗工況的確定

通過對橋成橋狀態下的內力與荷載分析，主梁跨中截面與拱肋L/2截面、L/4截面為最不利截面，結合規范對拱橋加載測試項目規定，根據模型計算結果，設置3個測試截面，分別為：A-A截面（拱頂截面）、B-B截面（L/4截面）和C-C截面（墩頂截面），測試截面布置如圖所示［9，10］。

對鋼桁架拱橋主要的測試內容有：①A-A斷面對稱布置，使主梁跨中正彎矩最大；②A-A斷面偏心布置，使主梁跨中正彎矩最大；③B-B斷面對稱布置，使主梁L/4處正彎矩最大；④C-C斷面對稱布置，使得主梁負彎矩最大。

3.2 試驗控制荷載和荷載效率

試驗控制荷載應選擇設計的最不利活荷載控制值。靜力試驗效率系數是結構在試驗荷載作用下的各主要控制截面測點應力（應變）或撓度實測值與相應的理論計算值之比，即：

式中，μ為沖擊系數。

橋活載設計值采用城-A級荷載，所得主橋主要測試工況、靜力試驗測試項目及各控制截面的試驗內容見圖2～圖4。

圖2 各工況下測點最大彎矩荷載效率

圖3 各工況下測點撓度荷載效率

圖4 各工況下測點軸力荷載效率

橋梁的靜力試驗效率不宜小于0.95，因橋屬于鋼桁架拱橋，結構形式復雜，采用加載車集中加載方式的情況下各工況無法同時滿足荷載效率，故其中部分工況荷載效率低于0.95。

3.3 加載方案和測點布置

為保證靜力試驗結果的有效性及可靠性，靜力試驗最多選用了14輛300kN的三軸載重汽車。靜力試驗車輛荷載布置分為中載和偏載兩種，靜力試驗荷載加載過程采用逐漸增加車輛的方式進行分級加載，共分三級加載。加載車輛在橋面的布置與分級加載順序如圖5～圖7和表1所示。

圖5 工況1加載布置（單位：m）

圖6 工況2加載布置（單位：m）

圖7 工況3加載布置（單位：m）

表1 分級加載順序表

為了直觀驗證橋梁實際運營中的工作狀態，利用實測數據與計算數據進行對比是較為合理有效的。撓度測點布置在試驗跨最不利截面處，在橋梁中心線與上下游各布置至少一個測點，應變測點布置在主梁、橫梁底部與拱肋處，選取上弦桿拱頂、L/4拱截面與下弦桿拱腳進行測試。測點布置如圖8、圖9所示。

圖8 主梁及拱肋測點示意圖

圖9 主梁及橫梁測點示意

4 靜力試驗結果分析

4.1 應力結果分析

橋靜力試驗各工況下結構實測值與計算理論值如圖10～圖12所示。根據圖10～圖12可知，橋跨結構應力對比系數ζ介于0.76～0.96之間。工況1主梁最大實測應力增加值為17.4MPa，理論增加值為19.2MPa；橫梁最大實測應力增加值為34.5MPa，理論增加值為45.3MPa；拱頂最大實測應力增加值為13.8MPa，理論增加值為15.8MPa。工況2主梁最大實測應力增加值為15.4MPa，理論增加值為17.1MPa；橫梁最大實測應力增加值為32.9MPa，理論增加值為36.3MPa；拱頂最大實測應力增加值為11.9MPa，理論增加值為13.8MPa。工況3主梁最大實測應力增加值為15.3MPa，理論增加值為17.4MPa；主梁負彎矩最大實測應力增加值為19.2MPa，理論增加值為19.9MPa；橫梁最大實測應力增加值為37.4MPa，理論增加值為42.4MPa；拱腳最大實測應力增加值為14.6MPa，理論增加值為16.1MPa。分級加載時各應力增加值均未超過理論值，且各應力變化趨勢實測值與理論值都較為相符，全橋結構受力性能較好，各測點應力變化實測值與理論值趨勢較為吻合，說明橋梁實際受力情況與計算理論中受力情況相同。

圖10 工況1應力實測值與理論值對比

圖11 工況2應力實測值與理論值對比

圖12 工況3應力實測值與理論值對比

4.2 撓度試驗結果分析

根據靜力試驗現場實測與理論計算分析值比較，作出結構變形比較柱狀圖。橋梁靜力試驗各個工況應力測試結果見圖13～圖15。

圖13 工況1撓度實測值與理論值對比

圖14 工況2撓度實測值與理論值對比

圖15 工況3撓度實測值與理論值對比

根據圖13～圖15可知，橋跨結構撓度對比系數ζ介于0.77～0.92之間。工況1橫梁最大實測撓度增加值為22.6mm，理論增加值為25.0mm；拱肋最大實測撓度增加值為8.3mm，理論增加值為9.2mm。工況2橫梁最大實測撓度增加值為16.6mm，理論增加值為19.0mm；拱肋最大實測撓度增加值為6.5mm，理論增加值為8.2mm。工況3橫梁最大實測應力增加值為17.3mm，理論增加值為20.9mm；拱肋最大實測撓度增加值為6.1mm，理論增加值為7.2mm。分級加載時各撓度增加值均未超過理論值，且各撓度變化趨勢實測值與理論值都較為相符，橋跨結構的剛度較好。各測點撓度變化實測值與理論值趨勢較為吻合，說明橋梁實際受力情況與計算理論中受力情況相同。

4.3 吊桿索力結果分析

據靜力試驗現場實測與理論計算分析值比較，作出吊桿索力實測數據與理論數值比較表格，是衡量橋梁實際剛度的重要數據。橋靜力試驗各個工況吊桿索力測試結果及結構校驗系數見表2～表4。

表2 吊桿索力實測值與計算值對比 kN

表3 吊桿索力實測值與計算值對比kN

表4 吊桿索力實測值與計算值對比kN

根據表2～表4可知，橋跨吊桿索力對比系數ζ介于0.82～0.94之間。工況1吊桿索力最大值出現在跨中的D8吊桿，索力最大實測增加值為210.2kN，理論增加值為226.7kN；工況2吊桿索力最大值出現在跨中的D8吊桿，索力最大實測增加值為184.2kN，理論增加值為199.9kN；工況3吊桿索力最大值出現在1/4跨徑附近的D2吊桿，索力最大實測增加值為220.6kN，理論增加值為255.3kN；分級加載時各應力增加值均未超過理論值，且各應力變化趨勢實測值與理論值都較為相符，說明吊桿實際受力情況與計算理論中受力情況相同。

5 結語

橋在靜力試驗荷載作用下，各工況控制截面的應力實測值與計算理論值對比系數ζ介于0.76～0.96之間，說明結構的受力狀態與計算結果接近；撓度對比系數ζ介于0.77～0.92之間，說明結構的實際剛度符合要求；索力對比系數ζ介于0.82～0.94之間，說明吊桿的受力狀態比較理想。根據靜力試驗數據分析結果，實測值與理論值變化趨勢較為吻合，說明結構的受力狀態與計算結果接近，該橋整體受力較好，結構工作狀態、承載能力及剛度均滿足設計要求。驗證了下承式鋼桁架拱橋在實際建設工程中具有廣闊的應用前景。