段寶山 吳西嶺
(同濟(jì)大學(xué) 橋梁工程系,中國 上海 200092)
此中承式系桿拱位于臨汾市,跨越汾河及濱河路。主橋上部結(jié)構(gòu)采用30m+80m+105m+80m+30m的五跨中承式系桿拱,主橋橋面寬41米,主車道為雙向六車道,外側(cè)設(shè)非機(jī)動車道和人行道,設(shè)計荷載為城-A級。主跨矢跨比為1/3;從跨矢跨比為1/4。主跨主拱肋采用桁架式鋼管混凝土結(jié)構(gòu),拱肋高2.7m,寬2m,上下拱圈斷面均為啞鈴形;從跨主拱肋采用格構(gòu)式鋼管混凝土斷面,拱肋高1.8m,寬2m,由四根直徑800mm、壁厚16mm的鋼管及16mm厚的鋼板組成。
2.1 測試內(nèi)容與測點(diǎn)布置
根據(jù)中承式系桿拱橋的受力特點(diǎn)和現(xiàn)場測試工作條件,靜載試驗主要對中105m拱和西80m拱的拱頂、四分點(diǎn)和拱腳進(jìn)行了加載測試。測試的主要內(nèi)容包括:中105m拱拱頂、四分點(diǎn)和拱腳斷面鋼管應(yīng)力測試,西80m拱拱頂、四分點(diǎn)和拱腳斷面鋼管應(yīng)力測試,5#拱座水平位移測量,拱肋豎向變形,部分吊桿活載索力增量測試。各測試斷面及測點(diǎn)位置如圖1所示。
圖1 測試斷面、活載拉力測試吊桿位置、拱座水平位移及斷面測點(diǎn)布置圖
2.2 加載工況
靜載試驗加載內(nèi)容主要有六項:①中拱S1斷面正彎矩加載;②中拱S2斷面負(fù)彎矩加載;③中拱S3斷面負(fù)彎矩加載;④從拱S4斷面負(fù)彎矩加載;⑤從拱S5斷面負(fù)彎矩加載;⑥從拱S6斷面正彎矩加載。對主橋建立全橋桿系有限元模型,計算得到各截面的加載效率均介于0.90~1.05 之間,滿足荷載試驗規(guī)范要求。
各工況的加載均按照分級加載的順序,逐級加載至最大設(shè)計荷載,個別工況加載位置如圖2。卸載時,均一次全部卸載。
2.3 拱肋變形及拱腳水平位移測試結(jié)果及分析
試驗中測試了在中拱拱頂、四分點(diǎn)在中拱各加載工況下的撓度以及從拱拱頂、四分點(diǎn)在從拱各加載工況下的撓度,并測試了中拱拱頂正彎矩加載工況下5#拱座的水平位移。表1給出了中拱拱肋各撓度測點(diǎn)在中拱四分點(diǎn)加載工況下的撓度值及撓度校驗系數(shù)。
經(jīng)計算得出,中拱各撓度測點(diǎn)的豎向撓度校驗系數(shù)均介于0.49~0.98 之間,中拱四分點(diǎn)撓度最大為 18.5mm,小于理論值 19.18mm,校驗系數(shù)為0.96。5#拱座水平位移在中拱拱頂加載工況下,南北兩側(cè)測點(diǎn)均為0.1mm,校驗系數(shù)為0.63。試驗測試結(jié)果表明,實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計及規(guī)范要求。
圖2 個別工況加載縱橋向、橫橋向車輛布置圖(單位:cm)
表1 中拱四分點(diǎn)加載工況撓度實(shí)測與計算值比較
2.4 吊桿索力增量測試
實(shí)測得到中拱拱頂最大正彎矩工況下,中拱中間兩根吊桿的索力增量分別為231kN和178kN,而理論計算得到的索力增量分別為434kN和398kN,校驗系數(shù)分別為0.53和0.48,均屬于正常范圍。
2.5 控制截面應(yīng)力試驗結(jié)果及分析
對靜載試驗中測得的應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行處理,得到各測試斷面在相應(yīng)荷載下的實(shí)測應(yīng)力,現(xiàn)列出中拱各測試斷面在中拱各加載工況下應(yīng)力測試結(jié)果,如表2~表3。
表2 中拱拱頂正彎矩加載工況拱肋應(yīng)力實(shí)測與計算值比較
表3 中拱拱腳負(fù)彎矩加載工況拱肋應(yīng)力實(shí)測與計算值比較
試驗結(jié)果表明,各拱肋控制斷面應(yīng)力實(shí)測值均小于計算值,在最不利荷載作用下,各控制截面的應(yīng)力校驗系數(shù)滿足《大跨度混凝土橋梁試驗方法》3.19.2條款的規(guī)定,主要測點(diǎn)的應(yīng)力校驗系數(shù)在0.68~0.96之間,且各測點(diǎn)的殘余應(yīng)變均小于5%,實(shí)際結(jié)構(gòu)具有足夠的應(yīng)力儲備。
3.1 拱肋動應(yīng)力響應(yīng)測定
橋梁實(shí)際承受的交通荷載不僅是靜車輛荷載,多數(shù)情況下受到的是移動車輛荷載作用。本次動載試驗主要測量應(yīng)力的動態(tài)增量。選取中拱拱頂、中拱四分點(diǎn)、從拱四分點(diǎn)斷面縱向動應(yīng)力測點(diǎn)布設(shè)于上弦管拱背處,采用兩輛載重車以勻速10~40km/h在橋上行駛,記錄所有測點(diǎn)的動應(yīng)力時程信號。典型測試部位的振動信號如圖3所示。
圖3 兩輛重車以10km/h車速駛過橋面,中拱拱頂斷面鋼管混凝土拱肋(測點(diǎn)1)的動應(yīng)力時程
實(shí)測的中拱拱頂、四分點(diǎn)、從拱四分點(diǎn)截面處的動力放大系數(shù)(1+μ)如表4所示,由表4可以看出,車輛在平整的橋面以正常速度行駛時引起的拱肋動態(tài)應(yīng)力增量不大,拱肋各測試斷面的應(yīng)力動態(tài)放大系數(shù)在1.04~1.09,均在正常范圍內(nèi),且與行車速度無顯著關(guān)系。
表4 主橋動載試驗鋼管混凝土拱肋實(shí)測應(yīng)力動態(tài)放大系數(shù)(1+μ)
3.2 橋梁動力特性參數(shù)測定
橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)振動的頻率、振型及阻尼比?,F(xiàn)場測試中,主要測試橋面各測點(diǎn)在自然環(huán)境激勵下的縱橋向、橫橋向振動加速度響應(yīng)和拱肋各測點(diǎn)在自然環(huán)境激勵下的橫橋向、豎橋向振動加速度響應(yīng),采樣頻率選擇25.6Hz。
根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果,分析得出橋梁前五階的動力特性參數(shù)如表5所示。
表5 五跨中承式系桿拱橋主橋動力特性參數(shù)
通過對此五跨中承式系桿拱的靜動載試驗的測試及結(jié)果分析,可以得出如下結(jié)論:
4.1 靜力試驗荷載下,主橋拱肋各控制部位的應(yīng)力變化、變形狀況均與理論計算值相符,應(yīng)力和變形校驗系數(shù)均小于1;吊桿的活載拉力增量與理論結(jié)果吻合;拱肋變形及應(yīng)力的對稱性較好,結(jié)構(gòu)受力合理。
4.2 在不同行車速度的車輛荷載作用下,主橋拱肋的動應(yīng)力峰值與動態(tài)增量均較小,動態(tài)放大系數(shù)小于1.10,在正常范圍內(nèi)。
4.3 主橋?qū)崪y橋面、拱肋固有振動頻率及振型階次與理論計算值吻合,實(shí)測頻率略大于理論值,表明實(shí)際結(jié)構(gòu)的動力剛度大于設(shè)計理論值。
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