某大跨中承式鋼箱提籃拱橋荷載試驗

王銀剛， 程華強， 高云， 程志遠*

(1. 湖北第二師范學院建筑與材料工程學院， 武漢 430205； 2.湖北省BIM智慧建造國際科技合作基地， 武漢 430205； 3.武漢市市政建設集團有限公司， 武漢 430023)

近十幾年來，隨著城市化進程的加快，一些景觀橋梁越來越多地出現在城市交通線上，提籃拱橋就是其中一種。相比于平行拱，提籃拱將拱肋內傾，不僅提高了拱橋橫向剛度[1-2]，而且在工程造價方面也具有優勢[3]，是一種美觀、經濟并兼具力學優點的橋型。

自中國第一座中承式鋼箱提籃拱橋——小灣大橋(主跨130 m)于2003年建成通車以來，國內陸續建成了多座同類大跨徑橋梁，在該類橋型的設計[4-7]和施工[8-10]方面積累了大量工程經驗。拱橋的跨徑越大、造型越復雜，其設計、建造過程所面臨的技術難度也越高，成橋具有初始缺陷的風險也越大。研究表明，大跨徑鋼拱橋的初始缺陷(如焊接缺陷[11]和初始幾何缺陷[12]等)會對成橋內力和變形產生較大影響。因此，大跨徑橋梁建成后，為保證橋梁運營期間的可靠性，常常需要進行荷載試驗，以此檢驗橋梁結構是否達到設計預期，并及早發現橋梁存在的缺陷及異常現象。同時，荷載試驗也是驗證設計階段采用的設計參數是否合理，力學計算采用的邊界條件和力學簡化是否恰當等問題的有效途徑。

長期以來，學者們對提籃拱橋的穩定性和動力分析等方面做了大量研究，有力地推廣了該類橋型的工程應用。穩定性方面，隋偉寧等[13]研究了不同的拱肋內傾角對拱橋抗震性能的影響，認為增大拱肋內傾角可有效提高拱橋的抗震性能。但是，過大的內傾角則會導致拱肋扭轉失穩[14]，且大內傾角拱肋的幾何非線性對穩定性的影響也是一個不容忽視的問題[15]。動力特性方面，通過環境激勵(脈動或風荷載)和動載試驗對復雜橋梁結構進行動力特性評估是常用的研究方法。田仲初等[16]對云南小灣大橋進行了整橋模態試驗研究，通過環境激勵實測了該橋前五階模態振型與頻率。秦世強等[1]用經過脈動試驗確認后的有限元模型分析了菜園壩長江大橋的矢跨比、內傾角、拱肋剛度等主拱結構參數對動力特性的影響。胡金海[2]對某鋼管混凝土中承式人行橋進行脈動試驗，研究了吊桿初期軸力和拱肋內傾角對該橋動力特性的影響。然而，上述對中承式提籃拱橋動力特性只研究了環境激勵下結構的自振特性，尚缺乏跑車、跳車、剎車等動力荷載測試數據。活載沖擊系數是橋梁結構設計的重要數據之一，其影響因素較多。通常認為沖擊系數受橋面平整度、結構體系、吊桿長度、橋面寬度等因素的影響，導致其實測值與設計規范中的公式的計算值差異較大[17]，而活載沖擊系數的實測值則由動載試驗得到。

因此，現以某新建的主跨196 m中承式鋼箱提籃拱橋為研究對象，該橋自建造以來面臨著施工技術要求高，工藝復雜，實施過程直接受汛期、風雨等天氣因素的影響非常大等特點，為準確掌握該橋在服役荷載作用下的力學性能，對該橋進行了成橋荷載試驗[18]。本橋的荷載試驗面臨控制截面多、加載工況多、測點布置多的特點。其中，靜載試驗實測應力(應變)、吊桿索力、撓度、拱座水平位移多個力學參數，動載試驗實測結構自振頻率以及跑車、跳車、剎車激勵作用下結構的動力響應。本橋的荷載試驗方案和實測數據可供同類橋型參考。

1 工程概況

武漢市江北快速路新河大橋[4]橋梁全長928 m，跨徑布置為：2×(5×30) m裝配式小箱梁+(48+196+48) m鋼箱拱+(6×30+5×30) m裝配式小箱梁。主橋全寬40.5 m，按雙向八車道設計。主拱采用等截面鋼箱型提籃拱(圖1)，拱肋向內傾斜，與豎向成10°夾角；主拱矢高f=43.556 m，矢跨比f/L=1/4.5，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=1.6。邊拱采用混凝土箱型拱肋，矢高f=11.26 m，懸鏈線拱軸系數m=1.2，截面尺寸為2.5 m(寬)×4.0 m(高)。邊拱肋端部設置橫梁，橫梁采用L形截面。全橋設置拱上立柱20根，均為混凝土矩形實心立柱，截面尺寸為1.5 m×1.5 m和1.3 m×1.5 m。全橋吊桿均采用帶球鉸的吊桿，間距采用8 m布置，全橋共設置吊桿40根，吊桿采用鋼絞線整束擠壓拉索體系。

圖1 新河大橋主橋橋型立面圖[4]Fig.1 Elevation of Xinhe Bridge[4]

2 試驗內容

(1)靜載試驗：①通過靜力荷載試驗，了解試驗橋跨結構控制截面在最不利荷載作用下最不利位置的應變分布情況、應變與荷載效率的關系、實測值與理論計算值的對比情況；②通過分析在最不利試驗荷載作用下試驗橋跨控制截面撓度觀測情況，評價結構的整體剛度。

(2)動載試驗：①通過自然脈動試驗，測定試驗橋跨結構自振特性，如結構的自振頻率等；②通過跑車、剎車和跳車試驗，測定試驗橋跨結構在動力荷載作用下受迫振動特性，如沖擊系數、頻率、阻尼比等。

3 靜載試驗

3.1 實施方案

3.1.1 試驗工況及測試截面

根據新河大橋主橋結構特點及現場條件，在進行結構分析計算的基礎上，選取主拱和邊拱共11個控制截面(表1中J1～J11，圖2)進行荷載試驗。根據理論計算得出各控制截面的彎矩影響線和試驗控制內力，對主橋控制截面進行中、偏加載。靜載試驗共布置18種加載工況(表1中C1～C18)。

表1 靜載試驗控制截面及加載工況Table 1 Static load test control sections and loading cases

圖2 控制截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of control sections

3.1.2 試驗條件

(1)試驗環境。荷載試驗在封閉交通的狀態下實施，同時，為減少溫度變化對靜載試驗測試結果的影響，靜載試驗原則上宜選擇在氣溫變化不大于2 ℃時間段進行。本次靜載試驗過程中未發生異常情況。

(2)試驗荷載。根據《城市橋梁檢測與評定技術規范》[19]的要求，橋梁的靜力試驗按荷載效率ηs來確定試驗的最大荷載。靜力荷載效率ηs的計算公式為

(1)

式(1)中：Sstat為靜力試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應的加載控制截面內力、應力或撓度的最大計算效應值；Sk為檢算荷載產生的同一加載控制截面內力、應力或撓度的最不利效應計算值；μ為設計規范取用的沖擊系數值；ηs為靜力試驗荷載效率，依據規范宜介于0.85～1.05。

靜載試驗采用三軸載重汽車加載，汽車荷載的選用遵循以下原則：①使各控制截面加載效率系數滿足靜力試驗荷載效率的要求；②在滿足試驗要求下盡可能減少加載用車數量。主橋采用單車重320 kN車輛加載。

3.2 加載方案及測點布置

3.2.1 試驗加載布置

根據橋梁施工圖文件，采用Midas/Civil軟件進行計算，汽車荷載采用城-A級荷載。有限元計算模型如圖3所示。

試驗按照控制截面內力等效原則，橋梁縱向按各工況下最不利影響線位置布載(圖4)，橫向按圖5所示進行中、偏布載，計算出在該試驗荷載作用下各截面的試驗彎矩，并計算得到試驗荷載效率。為提高試驗效率，通過大量的有限元分析，在滿足試驗目的前提下，對前述18個加載工況進行適當合并，最終組成9個試驗工況。表2列出了J1～J4截面按中載布載及J5、J6截面按偏載-Ⅰ布載的試驗荷載效率，表中的數據表明試驗荷載效率滿足規范[19]要求。

圖3 新河大橋有限元模型Fig.3 Finite element model of Xinhe Bridge

圖5 橫向布載示意圖Fig.5 Transversal arrangements of vehicle loads

表2 試驗荷載效率Table 2 Table of load efficiencies

3.2.2 試驗測點布置

(1)撓度測點布置。在橋面布置撓度測點，如圖6所示，撓度測量采用電子水準儀。

(2)應力(應變)測點布置。試驗橋跨為鋼箱梁拱橋，在主拱、邊拱鋼箱拱各控制截面頂、底板、腹板布設應變測點，具體應變測點位置如圖7所示。

Fi為橋面測點編號；Gi拱圈測點編號圖6 撓度測點布置圖Fig.6 Arrangements of deflection measuring points

圖7 應變測點布置圖Fig.7 Arrangements of strain measuring points

3.3 試驗加載程序

(1)對加載荷載進行精確稱重，或對加載設備和測力計進行校準。

(2)預加載至設計荷載的約30%時，卸除荷載，消除非彈性變形的影響，進行第一次空載讀數(應變和撓度)，同時記錄該時刻的氣溫。

(3)正式試驗加載荷載按試驗方案分級加載。每級加載完成后，記錄該時刻的氣溫并穩定15 min記錄，開始試驗觀測第一次讀數，間隔10 min再記錄加載的第次讀數，兩次讀數差均小于前次讀數增量的10%時，認為結構變形已趨穩定。此時所記錄的數據為試驗實測數據。

(4)滿載完成后一次性卸載，穩定20 min觀測應變數據，待應變數據穩定后量測撓度并記錄該時刻的氣溫。

3.4 數據分析

3.4.1 應變分析

主拱拱腳、主拱L/4(L為橋梁跨徑)截面、主拱L/2截面在中載模式下的實測應變數據如圖8所示。

圖8 主拱J1～J4截面實測應變Fig.8 Measured strains on Sections J1～J4 of the main arch

可以看出，隨著各級荷載的加載，各測點應變數據呈現出規律性變化，其變化方向、變化趨勢與計算值完全一致，且實測應變均小于計算值。

各控制截面的應變校驗系數及相對殘余應變如表3所示，從表3中可知各控制截面的應變校驗系數介于0.51～0.76，相對殘余應變校驗系數未超過規范[19]規定的限值1.0，表明橋梁結構強度具有較高的富余量，結構實際工作性能良好。卸載后的最大殘余應變最大為12%，未超過規范20%的限值，說明實驗過程中結構處于彈性工作狀態，試驗結果可靠。

3.4.2 吊桿索力實測

工況C14、C15實測了使主拱拱頂產生最大正彎矩時的吊桿索力，如圖9所示。試驗工況下，江岸側10#吊桿的實測索力值最大，其值為1 707 kN，該吊桿設計最大索力為2 080 kN，可見，吊桿強度具有明顯富余。

表3 應變校驗系數及相對殘余應變Table 3 Strain check coefficients and relative residua strains

圖9 吊桿實測索力Fig.9 Measured cable force of hanger rods

3.4.3 撓度分析

圖10為橫橋向中載下橋梁主跨的撓度實測數據，可見各測點撓度線形與理論計算符合較好，中載布置時下游撓度與上游有偏差但差值很小，各工況撓度實測值均小于計算值。對所有測點的撓度數據分析(表4)表明，撓度校驗系數介于0.48～0.59，小于規范限值1.0；相對殘余撓度最大值為6.77%，小于規范限值20%。因此可以認為橋梁結構具有良好的剛度。

3.4.4 主拱拱座最大水平位移

C13工況為江岸側主拱拱座最大水平位移工況，實測總位移為0.25 mm，卸載后殘余變形為0.01，拱座彈性水平變位小于計算值0.44 mm。

圖10 主跨橋面實測撓度Fig.10 Measured deflections of main span deck

表4 撓度校驗系數及相對殘余變形Table 4 Deflection check coefficients and relative residua deformations

4 動載試驗

4.1 試驗內容

動載試驗擬通過脈動試驗、行車試驗、跳車試驗和制動試驗測定橋梁作為一個整體結構在動力荷載作用下的受迫振動特性和結構的自振特性，以評價橋梁的最大動力響應，分析結構有無較大缺陷。動載試驗采用一臺重量約為320 kN的汽車，按如下4種工況進行。

(1)在橋面上，汽車分別以10、20、30 km/h的行駛速度進行跑車使橋梁產生受迫振動，測量橋梁的振動頻率和振幅。

(2)在橋面上，汽車以20 km/h的行駛速度進行跑車，在跨中緊急剎車使橋梁產生受迫振動，測量橋梁的振動頻率和振幅。

(3)試驗跨的跨中位置，汽車從約15 cm高的墊木上后輪自由下落對橋梁進行的激勵振動，測量橋梁的固有振動頻率和阻尼。

(4)在橋梁無車輛通行時，橋梁受環境自然激勵，測量橋梁的固有振動頰率。

4.2 試驗方法

試驗時，橋上的振動信號由布設的傳感器予以測量，通過導線連接，將振動信號經過濾波器、放大器和積分器送至數據采集器，并由計算機進行數據采集和記錄，然后再通過專用分析軟件進行分析，得到橋梁的固有頻率、阻尼和振幅。

4.3 試驗結果與分析

4.3.1 脈動試驗

橋面測點加速度自譜圖如圖11所示，將實測頻率與計算頻率結果列于表5，可見實測頻率與計算頻率吻合較好，且實測頻率高于計算頻率。

脈動試驗結果表明：整橋橫向自振頻率第一階 0.98 Hz，第二階1.76 Hz；豎向自振頻率第一階1.17 Hz，第二階2.15 Hz；實測橫向和豎向自振頻率均高于理論計算頻率。

圖11 實測橋面加速圖譜Fig.11 Measured acceleration spectrum curves of deck vibration

表5 橋梁自振頻率結果Table 5 Results of natural vibration frequency

4.3.2 跳車試驗、跑車試驗及剎車試驗

跳車試驗體現了垂向激勵引起橋梁的強迫振動效應的衰減過程。跑車試驗主要測試橋梁結構在移動車輛荷載的作用下產生的受迫振動響應。剎車試驗主要測試橋梁結構在剎車作用下產生的受迫振動響應。實測結果如表6所示。

表6 動載試驗結果匯總表Table 6 Summary of dynamic load test results

上述結果表明：①在跳車試驗荷載作用下，實測阻尼比平均約為0.036，在剎車試驗荷載作用下，實測阻尼比平均約為0.012；②在跑車、跳車、剎車荷載作用下，結構各部分反應平穩，無異常現象發生，結構動力性能正常。

5 結論

(1)靜載試驗荷載作用下，實測最大撓度和應變值均小于理論計算值，且實測殘余撓度和應變值均比較小，結構校驗系數和相對殘余均滿足《城市橋梁檢測與評定技術規范》的相關要求，實測吊桿索力和拱座水平變位均具有高的富余量，表明橋梁結構工作狀態良好，其承載能力滿足橋梁設計荷載的正常使用要求。

(2)動載試驗實測自振頻率高于計算頻率，實測豎向一階自振頻率1.17 Hz；實測阻尼比小于5%；實測沖擊增大系數為1.176～1.371。結構各項性能指標達到設計預期。

(3)建議加強橋梁結構的日常預防性養護工作，需加強對橋梁結構的觀測，發現問題及時處理，確保橋梁結構的安全性和耐久性。