Y腿剛構系桿拱橋荷載試驗方案研究

張正琦，柳 玉，文博華

(1.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引 言

我國橋梁正向著“老齡化”方向發展，材料性能的老化加上結構各種荷載的長期作用，現有橋梁服役條件日趨惡化，越來越多的橋梁將達到設計基準期，嚴重影響我國橋梁的服役能力，進而促進了橋梁建管養一體化理念的不斷發展與革新。我國正從大規模建設時期向建管養協同并重時期過渡，對于舊橋，需要每隔一定年限進行荷載試驗確定橋梁結構該階段的承載能力及營運條件，分析橋梁病害及其變化規律，確定有無加固的必要。Y腿剛構系桿拱橋屬于預應力混凝土剛構體系與柔性拱肋剛性連接的組合體系橋梁。Y腿剛構系桿拱橋用吊桿將主拱肋與主梁連接加強主梁，增大主跨跨度，主橋邊跨主梁與主墩為Y腿剛構可以減小邊跨跨度、平衡拱腳巨大的水平推力，從而改善了組合結構整體受力狀態和變形。Y腿剛構系桿拱橋作為一種相對新型的結構體系，21世紀以后在我國才開始出現，但隨著國民經濟的迅猛發展，公路橋梁負荷不斷增加，這些橋梁的承載能力及營運條件已經陸續出現問題，嚴重影響國民經濟發展與人民生命財產安全，需要通過荷載試驗等手段明確其服役能力。為確保試驗荷載選擇的合理性，保證試驗過程的安全性，須事先進行荷載試驗方案設計，而目前對于Y腿剛構系桿拱橋荷載試驗方案鮮有研究，本文以衢江大橋主橋為對象，分別從靜載試驗控制截面與試驗工況選取、撓度與應變測點布置以及動載試驗中傳感器、動測點布置和動應變截面選取等進行試驗方案設計，為Y腿剛構系桿拱橋體系荷載試驗的實施提供指導，也為以后同類型橋梁提供參考。

1 工程概況

衢江大橋為跨越衡江的一座城市橋梁，于2004年竣工通車，主橋形式為50 m+120 m+50 m的Y腿剛構系桿拱橋。

邊跨主梁與主墩為Y腿剛構，邊跨主梁為單箱四室等高截面預應力混凝土箱梁，頂板寬30.0 m，設雙向2%的橫坡，底板寬10 m，橋中線處主梁高2.5 m；中跨為單拱肋系桿拱橋，中跨主梁采用外形與邊跨一致的等高單箱雙室截面預應力混凝土箱梁。

鋼箱拱肋布置在橋中線，矢高21 m，跨度100 m，拱肋截面為2 m×2 m的箱形截面，拱腳部分加高到4 m，箱形拱肋四個壁板各設置3條縱向T型肋。拱肋壁板拱頂厚24 mm，拱底厚32 mm，T型肋板厚20 mm。17對雙吊桿由91φ7低松馳鍍鋅鋼絲構成，橫向間距0.80 m，順橋向間距5.0 m。道路等級為城市A級，設計行車速度50 km/h。

2 靜載試驗方案設計

靜載試驗采用等效靜荷載代替設計荷載作用在橋梁的指定位置，使主要控制截面內力達到設計或使用荷載(含沖擊作用)相等的效應。現場測試橋梁結構工作相關的主要參數(如變形、撓度、應力、應變、裂縫擴展等)，并將實測值與設計值或理論值作對比分析，評定橋梁結構的實際承載能力。根據控制截面的內力影響線，試驗采用加載車進行等效加載，使控制截面的內力與標準活載作用下的設計內力之比達到規范規定的試驗荷載效率的要求。大橋主橋靜載試驗各工況至多采用8輛400 kN的加載車進行等效加載，中后軸距1.4 m，前中軸距4 m，中后軸各重160 kN，前軸80 kN。

正式試驗加載前應對橋梁進行預壓再進行分級加載，逐級從零加到最大值，再一級卸載，按工程檢驗的要求確定最大試驗荷載量。靜力試驗荷載效率表示見公式(1)

(1)

式中：為靜力試驗荷載作用下，某一加載試驗工況對應的加載控制截面內力或變位的最大計算效應值；為控制荷載產生的同一加載控制截面內力或變位的最不利效應計算值；為沖擊系數值(按規范取用)；為靜載試驗荷載效率，舊橋鑒定應介于0.95～1.05之間，新橋驗收應介于0.85～1.05之間。

2.1 控制截面與試驗工況

采用midas Civil 2020結構計算軟件對橋梁建立模型進行計算分析。橋梁計算模型根據設計圖紙尺寸建立，材料強度按設計資料或規范取用，計算活荷載按城市A級考慮。

根據程序輸出的內力包絡圖，并依據相關規范規程有關剛構橋、拱橋荷載試驗內容與Y腿剛構系桿拱橋特點，選取試驗控制截面。靜載試驗控制截面的選取見圖1，靜載試驗工況如表1所示。

圖1 主橋靜載試驗控制截面(長度/cm)

表1 靜載試驗工況

表1(續)

2.2 撓度與應變測點布置

在控制截面及支點對應橋面位置布置撓度測點，每個試驗工況布置5個撓度測點，其中控制截面布置4個撓度測點，支點布置1個撓度測點。

箱梁A、B、E、H截面各布置11個應變測點，拱肋C、G截面共布置14個測點，中間吊索F截面布置1個測點，牛腿D截面布置3個應變測點。

2.3 靜載試驗荷載效率計算

對模型進行等效分級加載，鑒于篇幅本文僅給出前三個工況分級加載計算結果及撓度、應變控制值，見表2。

表2 工況一、二、三分級加載計算表

由表2可以看出，各工況最終靜載試驗荷載效率均在0.95～1.05范圍之內，車輛荷載布置滿足規范要求。

3 動載試驗

動載試驗采用1臺總重400 kN的汽車，汽車工作性能好，有準確的車速表和可靠的剎車機構。

3.1 測試內容及工況

(1)動載試驗主要測試結構的動力特性，內容包括。

①結構固有頻率測試；②結構振型模態測試；③沖擊系數測試。

(2)工況包括。

①脈動試驗：在橋梁無車輛通行時，橋梁受環境自然激勵，量測橋梁基頻；②跑車試驗：在橋面上汽車以20 km/h、30 km/h、40 km/h速度進行跑車使橋梁產生受迫振動，量測橋梁振幅與振動頻率。

3.2 試驗截面選擇及傳感器布設

基頻測試傳感器布設在橋面同一側的L/4和跨中截面，距橋梁防撞護欄50 cm處，豎直向垂直于橋面，以測定橋梁豎向振動響應；振型模態測試傳感器布設在橋面兩側L/8、L/4、3L/8、5L/8、3L/4、7L/8和跨中截面，距橋梁防撞護欄50 cm處，豎直向垂直于橋面，以測定橋梁豎向振型模態，由于加速度傳感器數量限制，測試分為兩組，其中測點1～4、5、8～11為測試組1，測點5～7、12～14為測試組2，測點5作為參考點同時參與兩組測試；動載試驗選擇橋梁中跨跨中位置進行試驗測試，在測試截面布置動應變傳感器，測試橋梁沖擊系數。

4 結 語

荷載試驗規范對于舊橋荷載試驗的加載效率限制更為嚴苛，Y腿剛構系桿拱橋體系復雜，控制截面多、荷載工況復雜，相關規范均未涉及此類橋型的具體荷載試驗內容，加大了服役期中的Y腿剛構系桿拱橋的荷載試驗方案設計難度。為保證服役期橋梁在荷載試驗中的安全，更好確定既有橋梁的實際營運能力，本文以某Y腿剛構系桿拱橋為例，對其進行荷載試驗設計，該荷載試驗方案分級加載效率滿足規范要求，既可為該Y腿剛構系桿拱橋現場荷載試驗的實施提供指導，又可為今后同類橋型的荷載試驗設計提供參考。