張煒

1 概述

在系桿拱橋檢測中，靜載試驗是評定系桿拱橋力學性的最有效的方法。

2 工程概況

彩虹橋為鋼管混凝土吊桿拱橋，全橋長50.38m，鋼管拱肋計算跨徑為38.88m，矢跨比為1/4.5，拱軸線采用二次拋物線。拱軸橫斷面為雙圓加腹板的啞鈴型斷面，橋面總寬為26.4m，設計荷載為：城-B級車輛荷載，按汽車-20級，掛車-100級校核。

3 結構有限元模型的建立

系桿拱橋是由拱肋、系桿、橫梁及橋面板組成的空間受力體系，系桿拱橋在外荷載作用下，主要受主拱圈軸力和彎矩、系桿及橫梁彎矩及剪力，因此這些是橋梁荷載試驗中的主要控制截面。由于系桿拱橋結構復雜，需要各構件協(xié)同作用，因此為有效的分析結構受力，本橋采用Midas Civil空間桿系模型進行結構靜力計算、活載效應計算及相應的加載效率計算。模型共計1237個節(jié)點和5387個單元。

4 靜載試驗分析

4.1 測試斷面的確定

為有測試各構件的性能，彩虹橋靜載試驗試驗測試跨、測試截面編號及各控制截面測試內(nèi)容為橋梁中心截面。

4.2 彩虹橋測點布設

（1）撓度測點：在左側和右側縱梁與橫梁連接處各布置1個撓度測點；在4#中橫梁跨中和四分點位置各布置1個撓度測點。

（2）應變測點：在每個縱梁和橫梁連接位置布置1個應變測點，應變測點為順橋向；4#中橫梁底面布置多個應變測點，并在中間位置處腹板布置4個應變測點，方向垂直于順橋向；在右兩側拱肋在跨中處布置8個應變測點，方向平行于拱軸線方向。應變測點和撓度測點布置如圖1圖2所示。

圖1 中橫梁應變和撓度測點布置示意圖

4.3 加載車輛選擇和荷載試驗效率

4.3.1 加載車輛的選擇

圖2 拱肋應變測點布置示意圖

彩虹橋荷載試驗采用4輛單輛車總荷載為300kN和2輛單輛車總荷載為360kN的三軸重載汽車進行加載。

4.3.2 靜力試驗荷載確定原則

就某一加載試驗項目而言，其所需加載車輛的數(shù)量，將根據(jù)設計標準活荷載產(chǎn)生的該加載試驗項目對應的控制截面內(nèi)力最不利效應值，按下式所確定的原則等效換算而得?！豆窐蛄撼休d能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）規(guī)定：

式中：η——靜力試驗荷載效率；

Sstate——靜載試驗荷載作用下，控制截面內(nèi)力計算效應值；

S——控制荷載作用下，控制截面最不利內(nèi)力或變位計算值；

μ——計算取用的沖擊系數(shù)。

4.3.3 彩虹試驗荷載效率及加載車輛數(shù)

在成橋狀態(tài)下，彩虹橋靜荷載試驗的荷載效率在0.965～1.034之間，滿足“評定規(guī)程”的規(guī)定，詳見如下。

工況一理論計算值1075.7試驗計算值1032.7荷載效率0.96加載車輛4輛；工況二理論計算值85.2試驗計算值90.3荷載效率1.06加載車輛4輛；工況三理論計算值64.3試驗計算值62.0荷載效率0.96加載車輛4輛；工況四理論計算值560.5試驗計算值566.1荷載效率1.01加載車輛2輛。

工況一為縱梁梁最大彎矩、撓度；工況二為吊桿最大軸力；工況三為拱肋最大彎矩；工況四為橫梁最大彎矩和撓度。

4.4 車輛荷載布置

荷載試驗車輛加載要盡可能用最少的加載車輛達到最大的荷載效率，在滿足試驗荷載效率以及能夠達到試驗目的的前提下，加載工況應進行簡化、合并，以盡量減少加載位置；每一加載工況依據(jù)某一加載試驗項目為主，兼顧其他加載試驗項目。

4.5 靜載荷載試驗結果

4.5.1 工況一試驗結果

通過對J1截面縱梁最大彎矩和撓度（工況一）加載試驗，J1測試截面縱梁應變測試結果如表1所列；縱梁撓度測試結果如所列，撓度實測值與理論計算值的對比曲線如表2所示。

表1 工況一作用下縱梁應變測試結果分析表（單位：με）

表2 工況一作用下縱梁撓度測試結果分析表（單位：mm）

4.5.2 工況二試驗結果

吊桿索力測試原理是利用吊桿所處環(huán)境對吊桿隨機振動，在吊桿上附著著高靈敏度拾振傳感器，拾取吊桿在環(huán)境激勵下的振動信號，經(jīng)過濾波、放大、譜分析。然后根據(jù)自振頻率與索力的關系確定實際索力。本試驗索力測試僅測試J1截面吊桿最大陰歷控制荷載作用下的右側3-1#、3-2#、4-1#、4-2#、5-1#、5-2# 索的索力，索力測試結果如表 3 所示。

表3 工況二作用下測試索的索力分析結果表（單位：kN）

4.5.3 工況三試驗結果

通過對J1截面拱肋應變加載試驗（工況三），J1測試截面拱肋應變測試結果分析如表4所列。

表4 工況三作用下拱肋應變測試結果分析表（單位：με）

4.5.4 工況四試驗結果

通過對J1截面橫梁最大撓度加載試驗（工況四），J1測試截面橫梁撓度測試結果分析如所列，滿載作用下?lián)隙葘崪y值與理論計算值對比曲線圖如表5所示。

表5 工況四作用下縱梁撓度測試結果分析表（單位：mm）

4.6 數(shù)據(jù)分析與評定

結構應變和撓度校驗系數(shù)是評定結構工作狀況、確定橋梁承載能力的一個重要指標，其中校驗系數(shù)越小，結構的安全儲備越大。試驗橋在試驗加載作用下，各構件撓度校驗系數(shù)在0.55～0.70之間，應變校驗系數(shù)在0.57～0.76之間，說明滿足正常使用下的橋梁強度要求。

5 結論

通過對該系桿拱橋的結構分析，優(yōu)化選擇了各試驗工況車輛布載的最優(yōu)布載方法，以最少的加載車輛滿足荷載試驗加載效率的要求，以最少的加載次數(shù)測試完所有試驗工況。本文通過對實測的撓度及應變值與理論計算值的對比分析，確定結構的校驗系數(shù)，進而評定該橋梁的工作狀態(tài)。靜載試驗是評定系桿拱橋力學性能是否滿足規(guī)范和設計要求最有效的方法。