劉立芳 馬玉江

1.秦皇島興龍房地產(chǎn)集團有限公司,河北秦皇島 066004 2.秦皇島正揚房地產(chǎn)評估有限公司，河北秦皇島 066004

單跨拱橋荷載試驗研究

劉立芳1馬玉江2

1.秦皇島興龍房地產(chǎn)集團有限公司,河北秦皇島 066004 2.秦皇島正揚房地產(chǎn)評估有限公司，河北秦皇島 066004

對某拱橋進行靜力荷載試驗和動力荷載試驗，測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力。試驗結果表明該橋受力合理，具有良好的剛度與強度。在動載試驗中，測試其自振特性，并進行了跳車試驗，分析了在行車下的沖擊作用。

拱橋；試驗；沖擊作用

1 工程概述

某橋為跨徑88m的下承式無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。系梁設在機動車道和非機動車道之間，箱形截面，截面高2.0m，寬3.0m。系梁內配有預應力鋼束。吊桿間距4.0m，由73Φ7鍍鋅高強鋼絲組成。橋面系由預應力混凝土橫梁、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（機動車道）+3m（拱系梁）+2.5m（人行道）+0.25m（欄桿）。設計荷載等級為城-A級，人群荷載集度為3.5kN/m2。

實施成橋靜動載試驗目的在于檢驗設計與施工質量，確定工程的可靠性，了解橋跨結構的實際工作狀態(tài)，判斷實際承載能力，評價其在設計使用荷載下的工作性能。通過動力試驗了解橋跨結構的固有振動特性以及其在長期使用荷載階段的動力性能，論證其抗風、抗震性能。

2 荷載試驗設計與實施方法

2.1 靜載加載設計

試驗加載位置與加載工況的確定主要根據(jù)設計控制荷載在拱肋、系梁上產(chǎn)生的最不利彎矩效應值，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到最大的試驗荷載效率，同時應考慮簡化加載工況，縮短試驗時間，每一加載工況依據(jù)某一檢驗項目為主，兼顧其他檢驗項目。理論計算采用平面專用有限元程序作分析，根據(jù)分析結果該橋主要針對拱肋的拱腳截面、1/4截面、拱頂截面與系梁的正、負最大彎矩以及橫梁最大彎矩作等效加載。靜載加載過程中采用分級加載，既可以確保結構的安全，同時可以測試偏載工況下結構的受力狀況。

圖1 拱肋截面應力測點布置

2.2 靜載測試內容與方法

靜載加載工況下主要測試拱肋、系梁應力，吊桿的拉力，拱肋撓度與系梁撓度。應力測試采用粘貼箔式應變計，由電阻應變測量系統(tǒng)測量，溫度補償用擱置在測點附近事先貼好應變花的混凝土塊實現(xiàn)補償。拱肋應力測點布置見圖1。

吊桿拉力測定法采用人工激振，測定時用索夾將傳感器固定在拉索上進行激振和信號采集，可得到索的自振頻率，再由索力和自振頻率關系推求索力。

由索的振動微分方程可知[2]：

式中：fn——索的第n階自振頻率；

l——索的計算長度；

n——振動階數(shù)；

g——重力加速度；

W——單位索長的重量。

由索力和自振頻率的關系可求得索力T的值。

2.3 動載測試內容與方法

動力測試主要包括自振特性測試、跑車試驗跳車試驗。自振特性測試方法是測試環(huán)境隨機荷載激振而引起的橋跨結構微幅振動響應，通過計算機記錄并實施FFT信號處理分析出頻域響應結果。行車試驗采用車輛以特定速度往返通過橋跨結構，測定橋跨結構在運行車輛荷載作用下的動力反應。障礙行車時在截面處橋面上設置障礙物模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)，以測定橋跨結構在橋面不良狀態(tài)時運行車輛荷載作用下的動力反應。由動態(tài)應變儀測試主梁的動態(tài)應變。

3 靜載試驗結果與分析

3.1 吊桿拉力測試分析

在工況A和B下，吊桿拉力見表1。由表1可知吊桿拉力校驗系數(shù)介于0.76～0.89之間。吊桿拉力結構校驗系數(shù)處于合理范圍內，吊桿拉力的實測值與計算值相符較好，表明吊桿受力合理，符合設計要求。

表1 吊桿拉力

表2 A、B、C工況下拱肋和系梁應變值

3.2 拱肋和系梁應力分析

拱肋與系梁的應變在工況A、B、C下實測值和理論值見表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。

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

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

在工況B下，拱腳斷面拱肋的校驗系數(shù)在0.613～0.621之間，均在合理范圍之內。實測最大應力介于為-4.158～2.478 MPa（鋼的應力）之間，可見應力水平較低。

在三種工況下，應力測試值的絕對量值并不大，因此可見主梁處于彈性工作狀態(tài)，并具有足夠的強度。

3.3 拱肋及橫梁梁撓度分析

在工況A和工況B下，各個測點撓度見表3。表3中數(shù)據(jù)表明撓度的實測值均小于理論值，并且校驗系數(shù)介于0.548～0.730之間，均小于1.00，滿載時，跨中橫梁的實測撓度與理論撓度吻合的較好，由此可見該橋的實際剛度比理論剛度大，同時卸載后殘余變形較小，說明結構在彈性工作范圍內。

表3 拱肋及橫梁撓度

4 動載試驗結果與分析

4.1 行車激振結果與分析

無障礙行車是采用一輛30t的重車以5、10、20、30、40、50km/h的速度通過橋面，測試跨中拱肋上翼緣截面處的動態(tài)應變。有障礙行車是重車以5、15、20、25、30km/h的速度通過設置障礙的橋面，測試跨中拱肋上翼緣截面處的動態(tài)應變。測點的沖擊系數(shù)和行車速度的關系見圖1和圖2。

圖1 沖擊系數(shù)與無障礙行車速度關系圖

由圖1可見，沖擊系數(shù)隨速度增大先增大再降低再增大的趨勢，在10km/h速度時達到第一峰值，在50km/h速度時達到第二峰值。沖擊系數(shù)數(shù)值介于1.108～1.208之間，可見無障礙行車對拱肋的沖擊系數(shù)很小，說明當橋面平整時，橋面行車對橋跨結構的沖擊作用很小。

圖2表明，沖擊系數(shù)隨速度先增大再降低再增大的趨勢，在10km/h速度附近達到第一峰值，在30km/h速度附近達到第二峰值。跳車的沖擊系數(shù)相對較大，介于1.555～2.707之間，跳車對橋跨結構的沖擊作用顯著。 可見當橋面不平整時，通行車輛對橋跨結構沖擊作用顯著，不利于橋跨結構受力。因此在橋梁的運營過程中，應保持橋面的平整性。

圖2 沖擊系數(shù)與障礙行車速度關系圖

4.2 自振特性測試結果與分析

橋跨結構的實測基頻為1.768 Hz(一階面內豎向)，二階振動頻率為2.951Hz（面內豎向振動），可見橋梁振動頻率相對較高，說明橋梁結構整體剛度較好。

5 結語

靜力荷載試驗和動載試驗表明：

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

（2）吊桿拉力合理，拱肋和系梁有較好的強度；

（3）橋跨結構具有良好的動力性能，符合設計要求；

（4）無障礙行車對橋跨結構的沖擊作用很小，有障礙行車時沖擊作用較為明顯。建議應盡力保持橋面平整，以減小行車對橋跨結構的沖擊作用。

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

[2]王國鼎.橋梁檢測與加固[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)集團有限公司；職稱：工程師；學歷：大學本科。