劉立芳 馬玉江

1.秦皇島興龍房地產(chǎn)集團(tuán)有限公司,河北秦皇島 066004 2.秦皇島正揚(yáng)房地產(chǎn)評(píng)估有限公司，河北秦皇島 066004

單跨拱橋荷載試驗(yàn)研究

劉立芳1馬玉江2

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對(duì)某拱橋進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)和動(dòng)力荷載試驗(yàn)，測(cè)試并分析靜載工況下的拱肋和系梁撓度、吊桿拉力、拱肋與系梁的截面應(yīng)力。試驗(yàn)結(jié)果表明該橋受力合理，具有良好的剛度與強(qiáng)度。在動(dòng)載試驗(yàn)中，測(cè)試其自振特性，并進(jìn)行了跳車試驗(yàn)，分析了在行車下的沖擊作用。

拱橋；試驗(yàn)；沖擊作用

1 工程概述

某橋?yàn)榭鐝?8m的下承式無(wú)橫撐鋼管混凝土系桿拱橋。兩片拱肋均為啞鈴型截面，均由兩根Φ1000×14mm鋼管與14mm厚的鋼板焊接而成。系梁設(shè)在機(jī)動(dòng)車道和非機(jī)動(dòng)車道之間，箱形截面，截面高2.0m，寬3.0m。系梁內(nèi)配有預(yù)應(yīng)力鋼束。吊桿間距4.0m，由73Φ7鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成。橋面系由預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁、鋼筋混凝土加勁縱梁和槽形板組成。橋面布置為：0.25m（欄桿）+2.5m（人行道）+3m（拱系梁）+21m（機(jī)動(dòng)車道）+3m（拱系梁）+2.5m（人行道）+0.25m（欄桿）。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城-A級(jí)，人群荷載集度為3.5kN/m2。

實(shí)施成橋靜動(dòng)載試驗(yàn)?zāi)康脑谟跈z驗(yàn)設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量，確定工程的可靠性，了解橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，判斷實(shí)際承載能力，評(píng)價(jià)其在設(shè)計(jì)使用荷載下的工作性能。通過(guò)動(dòng)力試驗(yàn)了解橋跨結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性以及其在長(zhǎng)期使用荷載階段的動(dòng)力性能，論證其抗風(fēng)、抗震性能。

2 荷載試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施方法

2.1 靜載加載設(shè)計(jì)

試驗(yàn)加載位置與加載工況的確定主要根據(jù)設(shè)計(jì)控制荷載在拱肋、系梁上產(chǎn)生的最不利彎矩效應(yīng)值，按0.8～1.05的效率系數(shù)等效換算而得[1]。盡可能用最少的加載車輛達(dá)到最大的試驗(yàn)荷載效率，同時(shí)應(yīng)考慮簡(jiǎn)化加載工況，縮短試驗(yàn)時(shí)間，每一加載工況依據(jù)某一檢驗(yàn)項(xiàng)目為主，兼顧其他檢驗(yàn)項(xiàng)目。理論計(jì)算采用平面專用有限元程序作分析，根據(jù)分析結(jié)果該橋主要針對(duì)拱肋的拱腳截面、1/4截面、拱頂截面與系梁的正、負(fù)最大彎矩以及橫梁最大彎矩作等效加載。靜載加載過(guò)程中采用分級(jí)加載，既可以確保結(jié)構(gòu)的安全，同時(shí)可以測(cè)試偏載工況下結(jié)構(gòu)的受力狀況。

圖1 拱肋截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

2.2 靜載測(cè)試內(nèi)容與方法

靜載加載工況下主要測(cè)試拱肋、系梁應(yīng)力，吊桿的拉力，拱肋撓度與系梁撓度。應(yīng)力測(cè)試采用粘貼箔式應(yīng)變計(jì)，由電阻應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量，溫度補(bǔ)償用擱置在測(cè)點(diǎn)附近事先貼好應(yīng)變花的混凝土塊實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。拱肋應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

吊桿拉力測(cè)定法采用人工激振，測(cè)定時(shí)用索夾將傳感器固定在拉索上進(jìn)行激振和信號(hào)采集，可得到索的自振頻率，再由索力和自振頻率關(guān)系推求索力。

由索的振動(dòng)微分方程可知[2]：

式中：fn——索的第n階自振頻率；

l——索的計(jì)算長(zhǎng)度；

n——振動(dòng)階數(shù)；

g——重力加速度；

W——單位索長(zhǎng)的重量。

由索力和自振頻率的關(guān)系可求得索力T的值。

2.3 動(dòng)載測(cè)試內(nèi)容與方法

動(dòng)力測(cè)試主要包括自振特性測(cè)試、跑車試驗(yàn)跳車試驗(yàn)。自振特性測(cè)試方法是測(cè)試環(huán)境隨機(jī)荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄并實(shí)施FFT信號(hào)處理分析出頻域響應(yīng)結(jié)果。行車試驗(yàn)采用車輛以特定速度往返通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)。障礙行車時(shí)在截面處橋面上設(shè)置障礙物模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)，以測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在橋面不良狀態(tài)時(shí)運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)。由動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)試主梁的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 吊桿拉力測(cè)試分析

在工況A和B下，吊桿拉力見(jiàn)表1。由表1可知吊桿拉力校驗(yàn)系數(shù)介于0.76～0.89之間。吊桿拉力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)處于合理范圍內(nèi)，吊桿拉力的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相符較好，表明吊桿受力合理，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 吊桿拉力

表2 A、B、C工況下拱肋和系梁應(yīng)變值

3.2 拱肋和系梁應(yīng)力分析

拱肋與系梁的應(yīng)變?cè)诠rA、B、C下實(shí)測(cè)值和理論值見(jiàn)表2，其中工況A為跨中最大彎矩工況，工況B為1/4跨最大彎矩工況，工況C為拱腳最大彎矩工況。

可見(jiàn)在工況A下，跨中斷面拱肋和系梁的校驗(yàn)系數(shù)在0.567～0.891之間（通常校驗(yàn)系數(shù)在0.5～1.1之間），均在合理范圍之內(nèi)，拱肋最大應(yīng)力介于-7.70～11.424MPa（鋼的應(yīng)力）之間，可見(jiàn)應(yīng)力水平相對(duì)較低。

在工況B下，1/4跨斷面拱肋和系梁的校驗(yàn)系數(shù)在0.558～0.801之間，均在合理范圍之內(nèi)。拱肋最大應(yīng)力介于-13.08～15.75MPa（鋼的應(yīng)力）之間，可見(jiàn)應(yīng)力水平并不高。

在工況B下，拱腳斷面拱肋的校驗(yàn)系數(shù)在0.613～0.621之間，均在合理范圍之內(nèi)。實(shí)測(cè)最大應(yīng)力介于為-4.158～2.478 MPa（鋼的應(yīng)力）之間，可見(jiàn)應(yīng)力水平較低。

在三種工況下，應(yīng)力測(cè)試值的絕對(duì)量值并不大，因此可見(jiàn)主梁處于彈性工作狀態(tài)，并具有足夠的強(qiáng)度。

3.3 拱肋及橫梁梁撓度分析

在工況A和工況B下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)撓度見(jiàn)表3。表3中數(shù)據(jù)表明撓度的實(shí)測(cè)值均小于理論值，并且校驗(yàn)系數(shù)介于0.548～0.730之間，均小于1.00，滿載時(shí)，跨中橫梁的實(shí)測(cè)撓度與理論撓度吻合的較好，由此可見(jiàn)該橋的實(shí)際剛度比理論剛度大，同時(shí)卸載后殘余變形較小，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在彈性工作范圍內(nèi)。

表3 拱肋及橫梁撓度

4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 行車激振結(jié)果與分析

無(wú)障礙行車是采用一輛30t的重車以5、10、20、30、40、50km/h的速度通過(guò)橋面，測(cè)試跨中拱肋上翼緣截面處的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。有障礙行車是重車以5、15、20、25、30km/h的速度通過(guò)設(shè)置障礙的橋面，測(cè)試跨中拱肋上翼緣截面處的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。測(cè)點(diǎn)的沖擊系數(shù)和行車速度的關(guān)系見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 沖擊系數(shù)與無(wú)障礙行車速度關(guān)系圖

由圖1可見(jiàn)，沖擊系數(shù)隨速度增大先增大再降低再增大的趨勢(shì)，在10km/h速度時(shí)達(dá)到第一峰值，在50km/h速度時(shí)達(dá)到第二峰值。沖擊系數(shù)數(shù)值介于1.108～1.208之間，可見(jiàn)無(wú)障礙行車對(duì)拱肋的沖擊系數(shù)很小，說(shuō)明當(dāng)橋面平整時(shí)，橋面行車對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用很小。

圖2表明，沖擊系數(shù)隨速度先增大再降低再增大的趨勢(shì)，在10km/h速度附近達(dá)到第一峰值，在30km/h速度附近達(dá)到第二峰值。跳車的沖擊系數(shù)相對(duì)較大，介于1.555～2.707之間，跳車對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用顯著。 可見(jiàn)當(dāng)橋面不平整時(shí)，通行車輛對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)沖擊作用顯著，不利于橋跨結(jié)構(gòu)受力。因此在橋梁的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，應(yīng)保持橋面的平整性。

圖2 沖擊系數(shù)與障礙行車速度關(guān)系圖

4.2 自振特性測(cè)試結(jié)果與分析

橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)基頻為1.768 Hz(一階面內(nèi)豎向)，二階振動(dòng)頻率為2.951Hz（面內(nèi)豎向振動(dòng)），可見(jiàn)橋梁振動(dòng)頻率相對(duì)較高，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度較好。

5 結(jié)語(yǔ)

靜力荷載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)表明：

（1）橋跨處于彈性受力狀態(tài)，拱肋、系梁受力狀況合理，符合設(shè)計(jì)要求；

（2）吊桿拉力合理，拱肋和系梁有較好的強(qiáng)度；

（3）橋跨結(jié)構(gòu)具有良好的動(dòng)力性能，符合設(shè)計(jì)要求；

（4）無(wú)障礙行車對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用很小，有障礙行車時(shí)沖擊作用較為明顯。建議應(yīng)盡力保持橋面平整，以減小行車對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用。

[1]施 洲,曹發(fā)輝,蒲黔輝.大跨度獨(dú)塔斜拉橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2005（1），16-19

[2]王國(guó)鼎.橋梁檢測(cè)與加固[M].北京：人民交通出版社，2003.117-118

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.041

劉立芳：女，1976年出生；籍貫：河北省唐山；單位：秦皇島興龍房地產(chǎn)集團(tuán)有限公司；職稱：工程師；學(xué)歷：大學(xué)本科。