■池毓偉

(福建省交通建設(shè)工程試驗檢測有限公司，福州　350004)

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提籃式鋼箱拱橋成橋荷載試驗分析及研究

■池毓偉

(福建省交通建設(shè)工程試驗檢測有限公司，福州350004)

摘要為了研究某鋼拱肋提籃式拱橋的結(jié)構(gòu)性能與受力狀況，選用橋梁靜載、動載試驗對橋梁靜力與動力性能進(jìn)行實橋檢測，結(jié)果表明，在公路-I級荷載作用下，該橋的撓度和應(yīng)變校驗系數(shù)均小于1.00；橋梁的一階自振頻率為1.80Hz，大于理論計算的1.39Hz，結(jié)構(gòu)的實測振動曲線與理論計算值基本相符。表明該拱橋結(jié)構(gòu)受力性能良好，結(jié)構(gòu)實際剛度大于設(shè)計剛度。

關(guān)鍵詞提籃式鋼箱拱橋荷載試驗結(jié)構(gòu)剛度振型受力性能

1　工程概況

某橋梁主橋上部結(jié)構(gòu)采用鋼拱肋提籃式拱橋，橋跨布置形式為7×20m(預(yù)應(yīng)力空心板)+82m鋼箱提籃拱橋+7×20m(預(yù)應(yīng)力空心板)。設(shè)計汽車荷載等級為公路-I級。

主橋拱肋截面為箱型截面。主拱風(fēng)撐采用連體式造型風(fēng)撐，造型新穎。橋面系為中橫梁體系，混凝土橋面板擱置在橫梁上，橫梁通過吊桿與主拱相連，全橋共布置15對吊桿。橋面設(shè)置雙向2％橫坡，混凝土橋面板厚度為20cm，主橋橋面鋪裝形式為BBC瀝青防水層+ 10cm瀝青混凝土橋面鋪裝。主橋下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)直徑為1.2m(詳見圖1)。

2　有限元數(shù)學(xué)模型建立

本橋采用MIDAS軟件建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，共建立1349個節(jié)點，2478個單元。模型采用30個只受拉桁架單元模擬拱肋吊桿，2256個梁單元模擬拱肋、系梁和橫梁等，192個板單元模擬混凝土橋面板。吊桿長度按鋼絲長度建模，吊桿與系梁和拱肋之間采用剛臂連接。該鋼拱肋提籃式拱橋有限元計算模型如圖2：

3　動靜載試驗

根據(jù)試驗荷載的作用性質(zhì)，橋梁荷載試驗分為靜載試驗和動載試驗。橋梁結(jié)構(gòu)的靜載試驗和動載試驗，雖然在試驗?zāi)康暮蛢?nèi)容上都很不相同，但對承受以車輛荷載為主的橋梁結(jié)構(gòu)來說，這兩種性質(zhì)的荷載試驗對于全面分析和了解橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)是一樣重要。

3.1檢測內(nèi)容

本橋靜動載試驗的檢測內(nèi)容包括：橋梁控制截面在試驗荷載下的撓度；橋梁控制截面在試驗荷載下的應(yīng)變；監(jiān)測拱橋在加載狀態(tài)下的吊桿力增量情況；測試橋梁的自振特性；橋面沖擊系數(shù)和動撓度。

3.2檢測儀器與設(shè)備

依據(jù)檢測目的與檢測內(nèi)容，試驗所需主要檢測儀器與設(shè)備如表1所示。

表1　主要檢測儀器和設(shè)備

3.3測點布置

3.3.1應(yīng)變測點

依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)的規(guī)定，參照橋梁在設(shè)計活載作用下的內(nèi)力包絡(luò)圖，確定拱肋、系梁的跨中截面、北側(cè)四分點以及北側(cè)拱腳位置為應(yīng)力測試斷面，斷面位置如圖3所示。拱肋每個截面布置12個測點，系梁每個截面布置8個測點，如圖4所示。

3.3.2撓度測點

根據(jù)現(xiàn)場實際條件，為了分析該橋在試驗荷載作用下的撓度情況，確定拱肋、系梁四分點及跨中斷面為撓度測試斷面，如圖5所示。拱肋、系梁每個截面各布置2個測點，如圖6所示。

3.3.3吊桿力增量測點

靜載試驗加載過程中，選擇對加載側(cè)跨中斷面吊桿力增量進(jìn)行測試和數(shù)據(jù)分析。測試吊桿位置見圖7，共3根吊桿，包括：EZ7～EZ9。

3.4靜載試驗

3.4.1試驗工況

本橋靜載試驗分三種加載工況：

工況1：順橋向按拱肋及系梁跨中截面內(nèi)力最不利位置布載，橫橋向分為正載和偏載。

工況2：順橋向按拱肋及系梁四分點截面內(nèi)力最不利位置布載，橫橋向分為正載和偏載。

工況3：順橋向按拱腳及系梁指點截面內(nèi)力最不利位置布載，橫橋向分為正載和偏載。

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》的規(guī)定，各控制斷面靜力荷載試驗效率應(yīng)介于0.95～1.05之間。經(jīng)計算，現(xiàn)場加載采用6輛300kN的三軸重車，靜力荷載試驗效率見表2。

表2　關(guān)鍵加載工況下關(guān)鍵斷面效應(yīng)的荷載試驗效率

3.4.2加載過程控制

在試驗過程中，為了保證橋梁的安全和試驗的順利進(jìn)行，對加載過程進(jìn)行如下控制：

(1)正式加載試驗前，應(yīng)對加載橋梁進(jìn)行預(yù)加載。預(yù)加載的目的是使結(jié)構(gòu)能進(jìn)入正常工作狀態(tài)，同時檢查整個試驗、測試系統(tǒng)能否正常運行。

(2)正式加載試驗時要求分級加載，對結(jié)構(gòu)變位或應(yīng)變較大，應(yīng)實時繪制測點變位或應(yīng)變與荷載的關(guān)系曲線，分析結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)安全。

(3)發(fā)生下列情況時應(yīng)停止加載：①控制測點應(yīng)力、變位(或撓度)已達(dá)到或超過計算的控制應(yīng)力值時；②結(jié)構(gòu)裂縫的長度或縫寬急劇增加，或新的裂縫大量出現(xiàn)，或縫寬超過允許值的裂縫大量增加時；③由于加載試驗使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非正常的受力損傷或局部發(fā)生損壞，影響橋梁承載能力和今后正常使用時；④量測數(shù)據(jù)不斷增大且不能穩(wěn)定時。

3.5動載試驗

3.5.1自振特性測試

3.5.1.1測試方法

本橋自振特性的測量采用環(huán)境隨機(jī)振動法。振動位移的測量傳感器采用DPS型位移傳感器。后續(xù)的調(diào)理器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備分別采用VA-99低通濾波放大器以及南京安正軟件公司的AZ-108數(shù)據(jù)采集箱和振動及動態(tài)信號采集、分析系統(tǒng)，最后通過帶模態(tài)分析軟件的計算機(jī)進(jìn)行分析。

3.5.1.2自振特性測試的測點布置

本橋自振特性的測點布設(shè)如圖8所示，測點間距為6.6m，單側(cè)布置13個測點。

3.5.2無障礙行車試驗

采用光電橋梁撓度儀檢測動撓度和沖擊系數(shù)，在橋面無障礙行車的情況下，用一輛載重汽車(單車總重300kN)以20km/h、30km/h、40km/h不同速度在橋面上行駛，測定在行車荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)控制斷面動撓度和沖擊系數(shù)。

4　靜載試驗數(shù)據(jù)分析

4.1吊桿力增量測試

以東側(cè)主拱肋跨中側(cè)3根吊桿(EZ7～ EZ9)在東側(cè)跨中偏載工況下的吊桿力增量測試為例，結(jié)果見表3。由表可見，EZ7吊桿力增量最大為154.2kN，吊桿增量值與理論增量值基本吻合。

表3　工況I跨中偏載時吊桿力增量實測結(jié)果表

4.2應(yīng)變測試

以工況I為例，各控制截面主要測點應(yīng)變理論計算值及實測值和校驗系數(shù)見圖9、圖10。如圖可見：在正載、偏載時，拱肋及系梁主要測試斷面各應(yīng)力測點實測值與理論計算值基本一致，測點的應(yīng)變校驗系數(shù)最大值為0.87，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)規(guī)定的校驗系數(shù)應(yīng)不大于1.00的限值要求。

4.3撓度測試

圖11～圖12列出了工況I和工況II下相應(yīng)控制截面撓度實測值與理論計算值的比較及撓度校驗系數(shù)。由圖可見：各工況下，拱肋及系梁主要測試斷面各撓度測點實測值與理論計算值基本一致，測點的撓度校驗系數(shù)最大值為0.79，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)規(guī)定的校驗系數(shù)應(yīng)不大于1.00的限值要求。

4.4相對殘余應(yīng)變/變位

以工況II為例，靜載試驗各主要測點的相對殘余應(yīng)變/變位見圖13、圖14。由圖可見，測試梁段應(yīng)力測點的最大相對殘余應(yīng)變?yōu)?.1％，所有位移測點的最大相對殘余變位為5.4％，相對殘余應(yīng)變/變位均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)規(guī)定的不超過20％的限值要求。表明在荷載試驗過程中，橋跨結(jié)構(gòu)處于較好的彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)整體性能良好。

5　動載試驗數(shù)據(jù)分析

5.1結(jié)構(gòu)自振特性結(jié)果

將自振特性實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)前兩階自振頻率實測值及阻尼比實測值如表4所示，并與理論自振頻率進(jìn)行對比。由表4可見，試驗橋梁的一階自振頻率為1.80Hz，二階自振頻率為2.48Hz，分別大于理論計算的1.39Hz和2.23Hz，表明橋梁整體結(jié)構(gòu)的實際剛度大于設(shè)計剛度。

結(jié)構(gòu)的前兩階實測自振振型和理論振型如圖15所示，可見，橋梁結(jié)構(gòu)的實測一階、二階自振振型與理論振型基本相符，表明該橋所建的有限元模型中采用計算式基本合理。

表4　結(jié)構(gòu)自振特性結(jié)果分析

5.2無障礙行車測試結(jié)果

采用1輛加載車沿橋面上進(jìn)行無障礙行車試驗，行車速度按20km/h、30km/h、40km/h進(jìn)行，測得的拱橋跨中截面的沖擊系數(shù)和動撓度見表5。

表5　拱橋跨中截面無障礙行車試驗結(jié)果

從表5可以看出，行車速度按20km/h、30km/h、40km/h無障礙行車情況下，加載車輛對該橋有一定的沖擊作用，但其沖擊系數(shù)在容許范圍內(nèi)。

6　結(jié)論

通過對某鋼拱肋提籃式拱橋的靜動載試驗結(jié)果和各項控制指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

(1)該鋼拱肋提籃式拱橋的承載能力滿足公路-I級荷載等級要求。

(2)靜載試驗表明，吊桿增量值與理論增量值基本吻合；各測試斷面應(yīng)變和撓度的校驗系數(shù)均小于1，符合規(guī)范要求，總體受力與理論設(shè)計基本一致；各主要測點相對殘余變位(或應(yīng)變)均符合相對殘余變位(或應(yīng)變)容許值不大于20％的規(guī)定，該橋橋跨始終處于較好彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)受力性能良好

(3)自振特性試驗表明，實測值大于理論計算值，結(jié)構(gòu)整體剛度大于設(shè)計剛度；前兩階豎彎自振振型與理論振型基本符合，表明該橋有限元分析模型中采用的計算式基本合理。

(4)無障礙行車試驗表明，實測得的沖擊系數(shù)在計算值0.088容許范圍內(nèi)，說明該橋的沖擊系數(shù)滿足要求。

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