黃志忠

（郴州市華科建設(shè)工程檢測(cè)有限公司，湖南 郴州 423000）

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在 19世紀(jì)末即被應(yīng)用于承壓柱中，是將混凝土澆筑進(jìn)鋼管內(nèi)部的一種結(jié)構(gòu)，在鋼管的約束下，內(nèi)部混凝土處于三向受力狀態(tài)，混凝土和鋼材的性能相互結(jié)合。21世紀(jì)初，我國(guó)建成了以巫山長(zhǎng)江大橋、茅草街大橋?yàn)榇淼囊慌卮罂鐝戒摴芑炷凉皹騕1,2]。本文的試驗(yàn)對(duì)象為一座中承式鋼管混凝土組合拱橋，是一座專用觀光橋，在橋梁設(shè)計(jì)中充分考慮了橋梁的美觀性，在主梁和主拱圈之間設(shè)有吊桿，但未設(shè)置立柱，這種奇異結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能值得進(jìn)一步研究。本文基于主橋部分的靜載和動(dòng)力特性試驗(yàn)結(jié)果[3]，驗(yàn)證了該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的合理性，并將理論值與實(shí)際值進(jìn)行了比較分析。

1 工程概況

某中承式鋼管混凝土組合拱橋主橋部分全長(zhǎng)200m，位于半徑R=400m的圓曲線上，跨徑組成為（2×30+80+2×30）m，主跨為80m鋼管混凝土組合拱橋，橋?qū)?9.5m，橫斷面組成為：2.25m（人行道）+2.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+0.25m（安全距離）+2×3.5m（車行道）+5.5m（中央分隔帶或拱腳、吊桿區(qū)）+2×3.5m（車行道）+0.25m（安全距離）+2.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.25m（人行道）。主梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，單箱8室截面。在主拱與鋼箱梁、斜腿與鋼箱梁結(jié)合處，設(shè)置鋼-混結(jié)合段。在斜腿主拱結(jié)合段長(zhǎng)6m，寬22.5m，全橋共兩處；斜腿結(jié)合段長(zhǎng)4m，寬22.5m，全橋共兩處。拱肋共有三片，中間為主拱，采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。主拱肋跨徑為80m，直徑為1.5m，橋面以上高13.7m，橋面以下高8.0m，矢跨比為1/3.687。橋梁結(jié)構(gòu)和截面、吊桿編號(hào)如圖 1所示。吊桿采用OVMGJ15-15型，破斷索力為3906kN。吊桿間距為4.0m，全橋共設(shè)置15根吊桿。下部結(jié)構(gòu)采用群樁基礎(chǔ)，樁徑1.5m。設(shè)計(jì)荷載為：公路-I級(jí)，人群荷載3.5kN/m2。

對(duì)比普通的鋼管混凝土拱橋，該橋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有許多創(chuàng)新的地方，創(chuàng)新之一表現(xiàn)在該橋的四處鋼-混組合段，創(chuàng)新之二表現(xiàn)在該橋橋面板以下部分未設(shè)置立柱，這種結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響尚缺實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。本文以該橋的靜力測(cè)試和動(dòng)力特性試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)該橋的實(shí)際工作狀態(tài)、承載能力進(jìn)行了探討。

2 靜力測(cè)試

2.1 概述

通過應(yīng)變測(cè)試、撓度測(cè)試和索力測(cè)試，可以驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，了解橋梁結(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。

2.2 靜力測(cè)試工況及車輛布置

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，使用midas Civil軟件對(duì)該橋進(jìn)行了全面的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，按試驗(yàn)荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)等效的原則，對(duì)各測(cè)試截面活載內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析，確定靜載試驗(yàn)時(shí)荷載的大小[4-6]。結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型如圖2所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

本橋靜力荷載試驗(yàn)共擬定了9個(gè)試驗(yàn)工況，分別為：工況I：B截面最大正彎矩；工況II：C截面最大負(fù)彎矩；工況III：F截面最大正彎矩；工況IV：S截面最大負(fù)彎矩；工況V：G截面最大正彎矩；工況 VI：H截面最大正彎矩；工況VII：Q截面最大正彎矩；工況VIII：T截面最大負(fù)彎矩；工況IX：第63跨跨中截面吊桿最大索力。在工況布置中，為充分驗(yàn)證該橋無立柱段的合理性，在該節(jié)段布置了較多測(cè)點(diǎn)。靜載試驗(yàn)時(shí)用汽車車輛直接加載，經(jīng)計(jì)算，靜載試驗(yàn)需要裝載后總軸重為380kN的加載車8臺(tái)。

確定靜力荷載試驗(yàn)各測(cè)試工況的荷載大小和加載位置時(shí)，采用靜力荷載試驗(yàn)效率ηq進(jìn)行控制。ηq宜介于0.95～1.05之間，靜力試驗(yàn)荷載的效率按式（1）計(jì)算，各工況的荷載效率系數(shù)見表1。

式中：Ss—靜力試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或變位的最大計(jì)算效應(yīng)值；S—控制荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力或變位的最不利效應(yīng)計(jì)算值；μ—按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值（該橋理論計(jì)算值μ=0.153）；ηq—靜力試驗(yàn)荷載效率，應(yīng)介于0.95～1.05之間。由表 1可知，靜載試驗(yàn)效率介于0.95～1.05之間，符合《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）[7]的要求。

表1 靜載試驗(yàn)效率系數(shù)表

根據(jù)交通部《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）[7]，對(duì)加載試驗(yàn)的主要測(cè)點(diǎn)（即控制測(cè)點(diǎn)或加載試驗(yàn)效率最大部位測(cè)點(diǎn)）可按式（2）計(jì)算校驗(yàn)系數(shù)ζ，以表征橋梁變位（應(yīng)變）的程度。

式中：Se—試驗(yàn)荷載作用下量測(cè)的彈性變位（或應(yīng)變）值；Ss—試驗(yàn)荷載作用下的理論計(jì)算變位（或應(yīng)變）值。

2.3 靜力測(cè)試結(jié)果

2.3.1 應(yīng)變測(cè)試

分別在橋梁以下位置和方向布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)：鋼箱梁B、C、F、G、H截面底部，沿橋梁軸線方向；斜腿 S、T截面上緣，沿斜腿軸線方向；鋼管混凝土拱P、Q、R截面下緣，沿拱肋軸線方向。各工況下應(yīng)變理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比及校驗(yàn)系數(shù)見表2～3。

2.3.2 撓度測(cè)試

分別在橋梁以下位置和方向布置撓度測(cè)點(diǎn)：鋼箱梁A、B、C、D、F、G、H、I截面對(duì)應(yīng)橋面位置；鋼管混凝土拱 P、Q、R截面底部。各工況下?lián)隙壤碚撝蹬c實(shí)測(cè)值及校驗(yàn)系數(shù)對(duì)比見表2～3。

2.3.3 索力測(cè)試

本次索力測(cè)試，擬采用振動(dòng)法進(jìn)行測(cè)試。在工況IX作用下對(duì)7#、8#、9#吊桿頻率進(jìn)行觀測(cè)，然后代入式（3）計(jì)算吊桿拉力。工況IX作用下各吊桿拉力見表2。

式中：m為單位長(zhǎng)度吊桿的質(zhì)量（kg/m）；l為吊桿的長(zhǎng)度（m）；fn為吊桿的第n 階固有振動(dòng)頻率（Hz）；EI為吊桿的剛度（N·m2）。

表2 吊桿拉力

2.4 靜力測(cè)試結(jié)果分析

（1）各試驗(yàn)工況下，各工況下各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)撓度均小于理論撓度，撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，相對(duì)殘余變位均滿足相對(duì)殘余變位容許值20%的要求。應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，相對(duì)殘余應(yīng)變均滿足相對(duì)殘余變位容許值20%的要求，該橋具有較大的安全儲(chǔ)備。

（2）各試驗(yàn)工況下未發(fā)現(xiàn)裂縫，表明該橋結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（3）工況IX作用下，7#、8#、9#吊桿拉力偏差在-0.7%～+2.7%之間，吊桿拉力增量與理論計(jì)算值基本吻合。

表3 各工況下主梁各測(cè)點(diǎn)撓度和應(yīng)變理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

表4 各工況下主拱圈各測(cè)點(diǎn)撓度和應(yīng)變理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3 動(dòng)力特性測(cè)試

橋梁的動(dòng)力特性可以反映橋梁的整體質(zhì)量情況、橋面的平整程度和耗散能力的能力，是判斷橋梁結(jié)構(gòu)承載特性和運(yùn)營(yíng)狀況的重要指標(biāo)。

3.1 測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)點(diǎn)布置

本試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)為：拾振器→電荷放大器→數(shù)據(jù)采集分析儀→數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)→筆記本電腦。脈動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，拾振器分別布置在A～O截面；跑車、跳車試驗(yàn)時(shí)，拾振器布置在B、H截面；跑車、跳車試驗(yàn)時(shí)，在B、H截面布置動(dòng)位移計(jì)。

3.2 模態(tài)分析

該橋自振頻率理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比見圖4。理論一階、二階振型與實(shí)測(cè)一階、二階振型基本吻合，一階、二階頻率實(shí)測(cè)值均大于理論計(jì)算值，表明該主橋結(jié)構(gòu)的整體剛度優(yōu)于設(shè)計(jì)值。

表5 自振頻率理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3.3 車振分析

3.3.1 跳車試驗(yàn)

第1跨跳車試驗(yàn)時(shí)加速度時(shí)程曲線及頻譜見圖3（a），跳車試驗(yàn)實(shí)測(cè)阻尼比為2.643%，實(shí)測(cè)頻率為 3.157Hz；第3跨跳車試驗(yàn)時(shí)加速度時(shí)程曲線及頻譜見圖 3（b），跳車試驗(yàn)實(shí)測(cè)阻尼比為3.119%，實(shí)測(cè)頻率為2.657Hz。

圖3 第1、3跨跳車試驗(yàn)加速度時(shí)程曲線及頻譜

3.3.2 跑車試驗(yàn)

以20km/h、30km/h、40km/h車速對(duì)第一跨、第三跨進(jìn)行跑車試驗(yàn)時(shí)，實(shí)測(cè)動(dòng)力系數(shù)分別為1.222、1.146、1.187；1.129、1.192、1.362。實(shí)測(cè)40km/h動(dòng)位移分析的動(dòng)力系數(shù)波形分析見圖4。

圖4 實(shí)測(cè)第一、二跨40km/h沖擊系數(shù)波形分析圖

3.4 動(dòng)力特性測(cè)試結(jié)果分析

（1）理論振型與實(shí)測(cè)振型基本吻合，頻率實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，表明該橋結(jié)構(gòu)的整體剛度較好，有較強(qiáng)的耐沖擊性。

（2）跳車試驗(yàn)結(jié)果表明橋梁具備一定的能量耗散性能。

（3）跑車試驗(yàn)荷載作用時(shí)，動(dòng)力系數(shù)在1.192～1.362之間，表明試驗(yàn)跨結(jié)構(gòu)反應(yīng)平穩(wěn)，無異?，F(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)論

通過該橋的靜載試驗(yàn)、動(dòng)力特性測(cè)試和理論分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）該橋在設(shè)計(jì)荷載（公路-I級(jí)，人群3.5kN/m2）作用下，結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度符合受力性能要求，說明處于彈性工作狀態(tài)，整體結(jié)構(gòu)安全，有較大的安全儲(chǔ)備。

（2）該中承式鋼管混凝土組合拱橋設(shè)計(jì)新穎，采用了新的鋼管混凝土組合拱，不僅結(jié)構(gòu)優(yōu)美，且受力性能良好。此次試驗(yàn)成果可以為同類橋梁的設(shè)計(jì)和計(jì)算提供參考依據(jù)。

[1]張輝.中承式鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)體系與力學(xué)性能研究[D].湖南大學(xué), 2007.

[2]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].科學(xué)出版社, 2000.

[3]張俊平, 周建賓.橋梁檢測(cè)與維修加固[M].北京：人民交通出版社, 2006.

[4]JTG D60-2004, 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[5]JTG D62-2004, 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]JTG B01-2003, 公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7]JTG/TJ21-2011, 公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[S].