鄭景祥（1.福建省建筑科學(xué)研究院;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福州350025）

某鋼管混凝土系桿拱橋靜動載試驗分析

鄭景祥1，2
（1.福建省建筑科學(xué)研究院;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福州350025）

本文通過對某鋼管混凝土系桿拱橋的荷載試驗，闡述了鋼管混凝土系桿拱橋的荷載試驗方法，并對試驗結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。分析結(jié)果表明，該橋在試驗荷載作用下，各控制截面變形與應(yīng)變校驗系數(shù)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)具有一定安全儲備；相對殘余應(yīng)變與變形滿足規(guī)范要求，恢復(fù)情況良好；橋梁實測自振頻率與計算值接近，沖擊系數(shù)較小。以上結(jié)論表明橋梁的工作狀況良好，滿足城-B級設(shè)計荷載的要求。

鋼管混凝土拱橋靜動載應(yīng)變撓度索力

1 橋梁概況

某鋼管混凝土橋，跨徑布置為：9m（混凝土實心板橋）+35m（鋼管混凝土拱橋）+9m（混凝土實心板橋），主橋為簡支下承式鋼管混凝土系桿拱，鋼管內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土，拱肋采用鋼管混凝土拱肋，計算跨徑L=35m，計算矢高f=7m，矢跨比為1/5;拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.1670；吊桿采用PES（c）5-055（ρb=1670MPa）成品索，張拉端設(shè)在系梁底。設(shè)計荷載[1]：城-B級，人群荷載4.0kN/m2。

2 模型建立

根據(jù)鋼管混凝土系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模[2]。依據(jù)設(shè)計圖紙和現(xiàn)場檢查結(jié)果，借助有限元結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/civil建立該橋的空間有限元梁格模型。模型中主梁、拱肋、橫撐、橫梁采用梁單元模擬，在梁格上按橋面性鋪裝實際厚度建立板單元，模擬考慮鋪裝對橋梁的剛度貢獻(xiàn)，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件簡化為均布荷載施加于從屬的桿件上。模型中的材料參數(shù)按規(guī)范取值。本模型共含梁單元278個，板單元448個，只受拉單元（吊桿）14個，有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

3 靜載試驗試驗方法

3.1 橋梁靜載試驗工況

考慮橋梁實際使用荷載特點[3]，本次試驗選取主跨作為試驗跨。根據(jù)設(shè)計荷載和試驗荷載計算結(jié)果，本次試驗共3個工況，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，本次靜載試驗采用汽車加載方式，按荷載效率η范圍進(jìn)行計算，確定采用2部45噸重車進(jìn)行靜載試驗[4]。本次靜載試驗荷載效率為0.88～1.04，基本滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）[5]中所規(guī)定的0.95≤η≤1.05的要求。各加載工況內(nèi)容及荷載效率詳見表1。

表1 加載工況及荷載試驗效率表

3.2 橋梁測試截面布置圖

(1)應(yīng)變測點布置∶應(yīng)變測試采用振弦式應(yīng)變計以及振弦讀數(shù)儀，在主跨左側(cè)縱梁、左側(cè)拱肋和l/2截面處橫梁上布置應(yīng)變測點，應(yīng)變測點布置見圖2～圖3。

圖2 主跨左側(cè)縱梁、左側(cè)拱肋應(yīng)變測點布置圖

圖3 主跨l/2截面處橫梁（跨中橫梁）應(yīng)變測點布置圖

(2)撓度測點布置：梁撓度測試采用百分表量測，主跨左側(cè)縱梁、左側(cè)拱肋和1/2截面處橫梁上布置撓度測點，撓度測點布置見圖4～圖5。

圖4 主跨左側(cè)縱梁、左側(cè)拱肋截面撓度測試點布置圖

圖5 主跨1/2截面處橫梁（跨中橫梁）撓度測點布置圖

(3)索力測點布置：利用頻率法測試吊桿內(nèi)力是通過測試結(jié)構(gòu)自振頻率、分析其自振特性從而得到吊桿的內(nèi)力的方法。將索力傳感器附著于左側(cè)吊桿，拾取吊桿的振動信號，經(jīng)過濾波、信號放大、譜分析得到吊桿的自振頻率，然后根據(jù)吊桿內(nèi)力與吊桿頻率間的固有關(guān)系來確定吊桿的內(nèi)力。

4 靜載試驗結(jié)果分析

（1）縱梁、拱肋、橫梁應(yīng)力分析

檢測結(jié)果表明，所測構(gòu)件的主要測點應(yīng)變校驗系數(shù)在0.52～0.77之間，滿足規(guī)范要求，卸載后應(yīng)變恢復(fù)良好，表明橋梁處于彈性工作狀態(tài)，強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

表2 各構(gòu)件主要測點應(yīng)力分析

（2）縱梁、拱肋、橫梁撓度分析

檢測結(jié)果表明，所測構(gòu)件的撓度校驗系數(shù)在0.69～0.89之間，滿足規(guī)范要求，表明橋梁豎向剛度滿足設(shè)計要求。

表3 各構(gòu)件主要測點撓度分析

（3）吊桿索力分析

①工況一、工況二檢測結(jié)果表明，所測吊桿的內(nèi)力校驗系數(shù)在0.78～0.82之間，吊桿拉力的實測值與計算值相符較好，表明吊桿受力合理，符合規(guī)范及設(shè)計要求。

表4 吊桿主要測點內(nèi)力分析

表5 恒載下吊桿內(nèi)力測試值匯總表

5 動載試驗結(jié)果分析

動載試驗[6]分為脈動試驗（自振特性試驗）和強(qiáng)迫振動試驗（無障礙行車試驗和剎車試驗）。自振特性試驗：采用環(huán)境隨機(jī)振動法測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動等隨機(jī)荷載激振而引起的橋梁結(jié)構(gòu)微幅振動響應(yīng)，以分析橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性。強(qiáng)迫振動試驗：（1）無障礙行車試驗：采用行車試驗測定橋跨結(jié)構(gòu)由于車輛行駛引起的橋梁結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，以分析橋跨結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。（2）剎車試驗[7]：采用剎車試驗測定橋跨結(jié)構(gòu)由于車輛行駛引起的橋梁結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，以分析橋跨結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

（1）自振特性振動試驗結(jié)果與分析

本次自振特性試驗采用頻譜分析法，根據(jù)測試結(jié)果分析可知：橋梁第二跨豎向一階自振頻率為5.08Hz，與有限元模型計算豎向一階自振頻率（5.07Hz）相接近。表明橋梁實際剛度與橋梁模型相吻合，橋梁整體剛度較好。

圖6 第二跨實測豎向第一階振型

圖7 第二跨理論豎向第一階振型

（2）無障礙行車試驗及剎車結(jié)果分析

本次試驗采用一輛載重45t汽車進(jìn)行無障礙行車試驗及剎車試驗。試驗車輛分別以20km/h、30km/h、40km/h的速度按指定線路通過橋面和在橋面進(jìn)行剎車試驗，測試振動動應(yīng)變。

無障礙行車試驗及剎車試驗結(jié)果表明，在正常行車及剎車情況下，車輛對橋梁的沖擊系數(shù)μ=0.06～0.18，小于設(shè)計理論沖擊系數(shù)取值0.27。通行車輛對橋跨結(jié)構(gòu)沖擊作用不顯著，橋梁結(jié)構(gòu)工作狀況良好。

表6 實測沖擊系數(shù)匯總表

6 結(jié)論

（1）橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的控制斷面內(nèi)力（應(yīng)力）、撓度、索力的實測值與理論計算值的比較結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)控制斷面內(nèi)力與撓度值滿足設(shè)計與規(guī)范要求。

（2）橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性及動力響應(yīng)試驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的實際動力性能良好。

（3）試驗觀測數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象的綜合分析表明，橋梁整體結(jié)構(gòu)性能處于彈性受力狀態(tài)，拱肋、系梁受力狀況合理，符合設(shè)計要求，為該橋今后運(yùn)營養(yǎng)護(hù)及長期健康狀況評價提供結(jié)構(gòu)原始參數(shù)。

[1]JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[2]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計與施工[M].北京∶人民交通出版社，1999.

[3]陳寶春.鋼管混凝土拱橋?qū)嵗痆M].北京：人民交通出版社，2002.

[4]司秀勇，李春雨，金海江.無橫撐鋼管混凝土拱橋靜動載試驗研究[J].鐵道建筑，2009（5）.

[5]JTG/T J21-01-2015，公路橋梁荷載試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2015.

[6]王志君.單跨拱橋靜動載試驗[J].交通世界，2012（9）.

[7]夏建中.蕪湖長江大橋成橋靜動載試驗[J].中國鐵道科學(xué)，2001.