鄭凱

(佛山市公路橋梁工程監(jiān)測(cè)站有限公司， 廣東 佛山 528041)

1 工程概況

某橋梁全長(zhǎng)近750 m，主橋?yàn)槿?50+280+50) m中承式鋼管砼系桿拱橋。橋面全寬按雙向八車道外加人行道設(shè)計(jì)，橫橋向?yàn)樯舷滦蟹蛛x完全獨(dú)立且對(duì)稱的左、右兩幅橋，每幅橋面寬26.1 m，由4.8 m人行道+0.5 m防撞護(hù)欄+15.5 m行車道+0.5 m防撞護(hù)欄+4.8 m過(guò)橋水管和檢修道組成。設(shè)計(jì)荷載為汽-超20、人群3.5 kN/m2。主拱墩頂間跨度280 m，計(jì)算跨徑271.5 m，計(jì)算矢高54.3 m，計(jì)算矢跨比1/5，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)1.5，預(yù)拱度在拱頂取值0.45 m；邊跨計(jì)算跨徑89.35 m，計(jì)算矢高9.1 m，矢跨比1/9.819，拱軸線也采用懸鏈線，拱軸系數(shù)1.9。橋型布置見圖1。

圖1 某中承式鋼管砼系桿拱橋橋型布置(單位：cm)

為保證橋梁運(yùn)營(yíng)的可靠性，檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力及工作性能，對(duì)其進(jìn)行荷載試驗(yàn)。

2 荷載試驗(yàn)方案

2.1 有限元分析

根據(jù)該橋受力特點(diǎn)，采用空間桿系有限元程序MIDAS/Civil對(duì)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，計(jì)算模型見圖2。分別采用梁?jiǎn)卧M主拱、橫梁及墩柱，桁架單元模擬吊桿和系桿，板單元模擬橋面結(jié)構(gòu)，拱肋鋼管砼按組合截面考慮，共采用梁?jiǎn)卧? 677個(gè)、桁架單元192個(gè)、板單元1 864個(gè)。結(jié)構(gòu)分析包括汽車荷載效應(yīng)、試驗(yàn)車荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)自振特性分析三方面，其中：汽車荷載效應(yīng)按設(shè)計(jì)最不利布載進(jìn)行影響線加載，計(jì)算結(jié)構(gòu)控制截面的設(shè)計(jì)內(nèi)力值；試驗(yàn)車荷載效應(yīng)按試驗(yàn)車的實(shí)際車重和實(shí)際輪位進(jìn)行布載，計(jì)算結(jié)構(gòu)控制截面的試驗(yàn)內(nèi)力值，確定滿足規(guī)范要求的試驗(yàn)荷載效率；結(jié)構(gòu)自振特性分析采用子空間迭代法，計(jì)算結(jié)構(gòu)前6階自振頻率和振型。

圖2 某中承式鋼管砼系桿拱橋結(jié)構(gòu)空間模型

2.2 荷載試驗(yàn)內(nèi)容與工況

靜載試驗(yàn)主要從試驗(yàn)荷載下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的局部應(yīng)變分布和結(jié)構(gòu)整體變形來(lái)評(píng)定結(jié)構(gòu)的受力性能，試驗(yàn)內(nèi)容如下：1) 測(cè)試邊跨拱肋L/2截面、中跨拱肋L/4、L/2和3L/4截面的豎向位移影響線，判斷結(jié)構(gòu)整體變形能力是否與設(shè)計(jì)相符；2) 測(cè)試邊跨拱肋L/2和拱腳截面，中跨拱肋L/4、L/2、3L/4和拱腳截面在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變分布及拱肋豎向位移，判斷結(jié)構(gòu)的局部受力及整體變形狀態(tài)是否正常；3) 測(cè)試吊桿在試驗(yàn)荷載下的索力，并與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，判斷其受力狀態(tài)及參與結(jié)構(gòu)整體受力的程度。試驗(yàn)工況及荷載效率分別見表1、表2。

表1 靜載試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

表2 靜載試驗(yàn)各工況的荷載效率

動(dòng)載試驗(yàn)通過(guò)脈動(dòng)試驗(yàn)、行車試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)和制動(dòng)試驗(yàn)測(cè)定橋梁作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的受迫振動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)的自振特性，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有工作狀態(tài)。

2.3 測(cè)試截面與測(cè)點(diǎn)布置

靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)包括應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和位移測(cè)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試采用振弦式應(yīng)變計(jì)；主跨位移測(cè)試采用數(shù)字式全站儀，測(cè)點(diǎn)布置在主拱肋各八分點(diǎn)；邊跨位移測(cè)試采用數(shù)字式百分表，測(cè)點(diǎn)布置在邊拱跨中截面處；吊桿索力測(cè)試采用索力儀。分別以前綴“S-”、“X-”表示每幅橋上游和下游的測(cè)點(diǎn)編號(hào)，測(cè)試截面與測(cè)點(diǎn)布置見圖3～5。

圖3 測(cè)試截面、各測(cè)試參數(shù)測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

3 靜載試驗(yàn)分析

3.1 橋梁整體受力性能影響線測(cè)試結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)影響線測(cè)試采用4輛加載車并排在橋面主跨各八分點(diǎn)和邊跨各四分點(diǎn)進(jìn)行加載，測(cè)試主跨拱肋L/4、L/2、3L/4截面和邊跨拱肋跨中截面的豎向位移，得到梁體實(shí)際縱向影響線，了解結(jié)構(gòu)的整體工作狀態(tài)。各截面結(jié)構(gòu)影響線測(cè)試結(jié)果見圖6。

圖4 拱肋撓度測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

圖5 動(dòng)載試驗(yàn)拾振器布置(單位：cm)

圖6 各截面影響線測(cè)試結(jié)果

由圖6可知：拱肋各測(cè)試截面豎向位移影響線的實(shí)測(cè)值與理論值走向一致，符合結(jié)構(gòu)變形的幾何特點(diǎn)；實(shí)測(cè)值與理論值基本吻合，實(shí)測(cè)值小于理論值，體現(xiàn)了在模擬局部受力時(shí)數(shù)值計(jì)算與實(shí)際結(jié)構(gòu)受力之間的差異，也說(shuō)明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度可能大于理論計(jì)算所采用剛度。主跨拱肋L/2截面影響線關(guān)于跨中截面的對(duì)稱性良好，主跨L/4與3L/4截面、北岸與南岸邊跨跨中截面影響線也呈現(xiàn)較好的對(duì)稱性，說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體受力的縱向?qū)ΨQ性良好。

3.2 截面應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析

主要對(duì)A截面(主跨拱肋L/2截面)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。該截面測(cè)試包括工況2和工況3，分別測(cè)試主跨拱肋跨中截面應(yīng)力、吊桿索力和拱肋變形，主要測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)見表3。由表3可知：拱肋跨中截面上、下弦桿應(yīng)變測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)殘余較小，測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余應(yīng)變均小于10%，滿足JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(以稱試驗(yàn)規(guī)程)的要求，說(shuō)明測(cè)試截面處于彈性工作狀態(tài)。

表3 主跨拱肋L/2截面的實(shí)測(cè)應(yīng)變

表4為A截面換算內(nèi)力及相應(yīng)理論值。由表4可知：拱肋跨中截面上、下弦桿換算彎矩很小，主要承受軸向力，通過(guò)弦桿間力矩抵抗外荷載產(chǎn)生的彎矩，與鋼管砼拱橋的設(shè)計(jì)理論相符，也反映了桁架式鋼管砼拱橋拱肋的受力特點(diǎn)；從截面整體受力情況來(lái)看，主拱肋仍是以受彎為主的壓彎構(gòu)件。弦桿換算內(nèi)力值基本小于理論值，而全截面換算內(nèi)力值與理論值有所差異，與拱肋實(shí)際剛度及腹桿等局部構(gòu)造對(duì)拱肋上、下弦桿間內(nèi)力分配的影響有關(guān)，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性。

表4 主跨拱肋L/2截面的換算內(nèi)力

表5為A截面換算應(yīng)力。由表5可知：工況2和工況3下拱肋上弦的最大換算平均應(yīng)力分別為-9.5、-14.0 MPa，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)分別為0.69、0.73，滿足試驗(yàn)規(guī)程中鋼筋砼拱橋應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.5～0.9的要求。其他工況下各測(cè)試截面數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求，在此不再詳細(xì)分析。

表5 主跨拱肋L/2截面的換算應(yīng)力

主拱拱肋為四肢矩形格構(gòu)式截面，每根弦桿為獨(dú)立的啞鈴形，上、下弦桿由豎腹桿和斜腹桿連接共同工作。圖7為工況2和工況3下拱肋跨中截面實(shí)測(cè)應(yīng)變沿截面高度的分布。由圖7可知：每根弦桿的變形呈較好的線性關(guān)系；從全截面變形角度來(lái)看，測(cè)試截面處局部荷載效應(yīng)明顯，桁架式結(jié)構(gòu)由于受弦桿節(jié)間局部彎曲的影響，截面變形以弦桿的獨(dú)立變形為主。

圖7 拱肋應(yīng)變沿截面高度的分布

3.3 截面撓度測(cè)試結(jié)果分析

工況2和工況3試驗(yàn)荷載作用下拱肋實(shí)測(cè)變形見表6、圖8。由表6、圖8可知：實(shí)測(cè)拱肋豎向變形與理論值吻合良好，反映了結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)；相對(duì)于其他測(cè)點(diǎn)，跨中加載截面部分實(shí)測(cè)值與理論值相差略大，這與在考慮局部受力時(shí)理論計(jì)算和結(jié)構(gòu)實(shí)際受力的差異有關(guān)。工況2和工況3下拱肋最大豎向變形均發(fā)生在跨中截面，上下游兩側(cè)拱肋實(shí)測(cè)變形平均值分別為15.7、26.0 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)分別為0.76、0.88，滿足試驗(yàn)規(guī)程中撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.5～1.0的要求。根據(jù)工況3下拱肋跨中實(shí)測(cè)豎向變形推算，使用汽車荷載(不計(jì)沖擊力)作用下拱肋跨中撓度為25.0 mm，撓跨比=25.0/280=1/11 200<1/1 000，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

表6 主跨拱肋L/2截面豎向變形

圖8 拱肋實(shí)測(cè)變形與理論值對(duì)比

3.4 吊桿索力測(cè)試結(jié)果分析

索力測(cè)試結(jié)果見圖9。由圖9可知：換算索力與理論索力的分布特點(diǎn)一致，但測(cè)試截面附近吊桿換算索力小于理論值，而遠(yuǎn)離測(cè)試截面處的吊桿換算索力比理論值大，說(shuō)明橋面鋪裝等參與結(jié)構(gòu)受力，實(shí)測(cè)吊桿索力的分布比理論值更均勻。工況2和工況3下索力最大值均出現(xiàn)在24#吊桿，其上下游平均實(shí)測(cè)索力分別為228.1、304.8 kN，理論值分別為328.2、387.7 kN，索力校驗(yàn)系數(shù)分別為0.70、0.79，滿足試驗(yàn)規(guī)程的要求。

圖9 吊桿索力分布

4 動(dòng)載試驗(yàn)分析

結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)自振頻率、理論頻率、阻尼比和振型見表7，圖10、圖11為典型工況下脈動(dòng)試驗(yàn)頻譜分析結(jié)果，圖12、圖13分別為1、2階理論計(jì)算振型與頻率。

圖13 2階理論計(jì)算振型與頻率(結(jié)構(gòu)豎向反對(duì)稱二次彎曲)

圖12 1階理論計(jì)算振型與頻率(橫向正對(duì)稱一次彎曲)

圖11 橋面跨中上、下游豎向互譜圖

從表7、圖10～13可以看出：結(jié)構(gòu)第1階振型為拱助正對(duì)稱橫向變形，基頻為0.38 Hz；第2階自振頻率為0.60 Hz，振型以拱肋豎向反對(duì)稱變形為主；第3階振型以橋面橫向變形為主，自振頻率為0.66 Hz；第4階振型以拱肋豎向正對(duì)稱變形為主，自振頻率為0.97 Hz；第6階振型以整體扭轉(zhuǎn)為主，自振頻率為1.15 Hz。結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)基頻高于理論計(jì)算值，說(shuō)明拱肋實(shí)際橫向剛度比理論值大；實(shí)測(cè)豎向振動(dòng)自振頻率高于理論值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)實(shí)際豎向剛度比理論值大。

表7 實(shí)測(cè)自振頻率和振型阻尼比

圖10 拱頂橫向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)的傳遞函數(shù)圖

5 結(jié)論與建議

(1) 靜、動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果反映了中承式鋼管砼系桿拱橋在成橋狀態(tài)的受力特點(diǎn)，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致，結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)相吻合。

(2) 靜載試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件受力狀態(tài)正常，結(jié)構(gòu)橫向、縱向受力對(duì)稱性良好，實(shí)測(cè)結(jié)果均小于理論計(jì)算值，應(yīng)力、變形、索力校驗(yàn)系數(shù)均滿足試驗(yàn)規(guī)程的要求；動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和振型阻尼比等動(dòng)力特征指標(biāo)均正常，滿足結(jié)構(gòu)正常運(yùn)營(yíng)要求。靜載和動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)受力滿足汽-超20運(yùn)營(yíng)荷載正常使用要求。

(3) 為提高結(jié)構(gòu)的耐久性，建議管養(yǎng)單位加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)階段的養(yǎng)護(hù)維修，做好主拱等鋼結(jié)構(gòu)的防銹、吊桿和橋面的養(yǎng)護(hù)等，對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進(jìn)行定期檢查、維護(hù)和監(jiān)測(cè)，保證橋梁長(zhǎng)期安全、可靠地運(yùn)營(yíng)。