何良盛

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

0 引言

在現(xiàn)役橋梁中拱橋的數(shù)量占據(jù)著極大的比重，從結(jié)構(gòu)形式上可以將拱橋分為上承式拱橋，中承式拱橋和下承式拱橋。其中，下承式拱橋因其造型優(yōu)美、一期恒載小、建筑高度低，可以有效減小引橋長(zhǎng)度等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著橋梁服役年限的增加，結(jié)構(gòu)可能存在著未知的問(wèn)題[2-3]。此時(shí)，橋梁的承載能力驗(yàn)算以及荷載試驗(yàn)顯得十分必要。張勁泉等[4-5]從現(xiàn)行規(guī)范及研究成果等方面對(duì)現(xiàn)役橋梁的安全性評(píng)估方法及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了敘述，為橋梁評(píng)估方法的應(yīng)用提供了參考；邢兵等對(duì)橋梁承載能力檢測(cè)中的若干問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，為后續(xù)橋梁承載能力評(píng)估工作的開(kāi)展提供了一定的參考；廖平等對(duì)某鋼架拱橋進(jìn)行了荷載試驗(yàn)確定了其承載能力[6]；韓曉健等基于BIM 技術(shù)對(duì)橋梁荷載試驗(yàn)進(jìn)行了研究證明采用該項(xiàng)技術(shù)可以大大提高荷載試驗(yàn)效率[7]。本文通過(guò)對(duì)某組合體系拱橋承載能力進(jìn)行驗(yàn)算及動(dòng)靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析進(jìn)而為其他同類型橋梁相關(guān)研究提供參考。

1 工程背景

某拱橋主橋跨徑組合為63+2×210+63m。主拱肋為懸鏈線變截面鋼箱拱，橋面加勁梁采用底板開(kāi)口的正交異性鋼橋面板縱橫梁格結(jié)構(gòu)形式，主橋結(jié)構(gòu)體系為下承式系桿拱與三角剛架的組合體系拱橋。橋面總寬36 米，橋面加勁梁設(shè)兩道主縱梁，沿橋縱向每3 米設(shè)一道橫梁，主跨吊桿間距為9 米。主橋拱肋與主梁之間采用柔性吊桿，全橋共設(shè)置32 對(duì)，系桿采用縱向系桿分離體系。為釋放橋面結(jié)構(gòu)連續(xù)時(shí)因溫差而產(chǎn)生的巨大水平力，主梁設(shè)2 道伸縮縫，位于邊墩三角剛架端部與中跨橋面加勁梁之間，該三角剛架X 形節(jié)點(diǎn)端部設(shè)牛腿構(gòu)造。橋梁立面圖如圖1。

圖1 某拱橋立面圖

2 有限元模型建立

采用MIDAS/Civil2019 軟件對(duì)某拱橋主橋進(jìn)行建模。主拱圈、副拱圈、縱橫梁、拱座采用梁?jiǎn)卧M，系桿、吊桿采用桁架單元模擬，橋面板采用板單元模擬。模型共有節(jié)點(diǎn)2270 個(gè)，梁?jiǎn)卧?449 個(gè)，桁架單元66 個(gè)，板單元1830 個(gè)。邊界條件為拱座固結(jié)，兩片主縱梁四個(gè)端點(diǎn)位置分別約束DY、DZ和DZ。計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 某拱橋立面圖

3 橋梁極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果分析

3.1 驗(yàn)算內(nèi)容

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)[8]中的相關(guān)規(guī)定對(duì)某拱橋分別進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算及正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。作用和主要荷載組合參見(jiàn)規(guī)范的要求，考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、汽車(chē)活載、人群荷載、系統(tǒng)升降溫、溫度梯度荷載。按規(guī)定選取重要性系數(shù)、荷載值、沖擊系數(shù)和分項(xiàng)系數(shù)形成多種效應(yīng)組合表達(dá)式，根據(jù)包絡(luò)給出最大最小范圍，用于設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

主要驗(yàn)算內(nèi)容包括：

1.承載能力極限狀態(tài)計(jì)算：按規(guī)范要求，拱肋、縱梁、橫梁關(guān)鍵截面強(qiáng)度，吊桿、系桿承載力是否滿足要求；

2.正常使用極限狀態(tài)計(jì)算：變形驗(yàn)算正負(fù)撓度之差小于計(jì)算跨徑的千分之一。

3.2 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

由圖3 可以看出，拱肋及縱梁上下緣截面最大拉應(yīng)力為142.4MPa、最大壓應(yīng)力為165.7MPa，橫梁上下緣截面最大拉應(yīng)力為204.4MPa、最大壓應(yīng)力為141.1MPa，均小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度270MPa。吊桿最大應(yīng)力為591.3MPa，系桿最大應(yīng)力為633.1MPa，均小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度1260MPa。以上結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范要求。

圖3 基本組合作用下各位置應(yīng)力

3.3 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

本橋短期效應(yīng)組合并消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的豎向位移之后的結(jié)構(gòu)位移圖如圖4 所示，結(jié)構(gòu)最大、最小撓度均在四分跨附近，最大向上位移為65.94mm、最大向下位移為67.25mm。正負(fù)撓度之和為133.19mm<210000/1000=210mm，撓度滿足要求。

圖4 結(jié)構(gòu)位移圖

4 荷載試驗(yàn)

承載能力驗(yàn)算是對(duì)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)及正常使用階段的一個(gè)反映，而荷載試驗(yàn)主要是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)可以有效地校驗(yàn)橋梁設(shè)計(jì)及施工的質(zhì)量。

4.1 靜載試驗(yàn)

4.1.1 主要測(cè)試截面及內(nèi)力結(jié)果

利用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用程序Midas/Civil 建立有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，模型如圖2 所示。汽車(chē)荷載：按6 車(chē)道城-A 荷載布載，考慮0.55 的橫向折減系數(shù)及0.97 的縱向折減系數(shù)；人群荷載：按2.875kN/m2考慮。測(cè)試斷面根據(jù)考慮活載作用下的橋梁內(nèi)力包絡(luò)圖確定，如表1 所示。

表1 測(cè)試截面及內(nèi)容列表

4.1.2 加載工況及加載效率

靜載試驗(yàn)采用18 輛同類型40t 車(chē)進(jìn)行等效加載，車(chē)輪距1.8m，前-中軸距3.85m，中-后軸距1.35m，前軸重80kN、中后軸重160kN，總重400kN。根據(jù)Midas 中得到的影響線確定車(chē)輛縱向布載方式。為了保證試驗(yàn)結(jié)果可靠，選擇用靜載試驗(yàn)效率系數(shù)ηq 來(lái)確定反加載的大小和位置。（靜載試驗(yàn)效率系數(shù)即為試驗(yàn)與設(shè)計(jì)荷載(考慮沖擊影響)的比值。）各試驗(yàn)跨測(cè)試截面加載效率系數(shù)如表2 所示。

表2 各試驗(yàn)跨測(cè)試截面加載效率系數(shù)表

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用脈動(dòng)法測(cè)量結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性系數(shù)，信號(hào)采集系統(tǒng)采用INV3062 型24 位分布式采集儀，傳感器采用941B 型超低頻測(cè)振儀。動(dòng)應(yīng)變采用數(shù)字動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)與 DH1205 電阻式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)試，動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)主要包括：

(1)無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)：；車(chē)輛在指定車(chē)道上分別以10km/h、20km/h、30km/h的速度勻速通過(guò)。

(2)剎車(chē)試驗(yàn)：車(chē)輛在指定車(chē)道上以10km/h 的速度行駛到試驗(yàn)斷面位置后剎車(chē)。

(3)有障礙行車(chē)試驗(yàn)：車(chē)輛在指定車(chē)道上以10km/h 的速度行駛并跨越試驗(yàn)斷面上的不平障礙物。

4.3 荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1.1 撓度測(cè)試與分析

靜載試驗(yàn)后得到的典型測(cè)點(diǎn)撓度如表3，撓度變化向下為負(fù)。

表3 撓度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析表

由上表可知各工況下，相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1，各測(cè)試斷面卸載后其相對(duì)殘余變形較小，均在規(guī)范規(guī)定的20%以內(nèi)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的撓度能夠得到恢復(fù)，表明結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)。

4.3.1.2 應(yīng)變測(cè)試與分析

表4 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析表

由上表可知各工況下，相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1，各測(cè)試斷面卸載后其相對(duì)殘余應(yīng)變較小，均在規(guī)范規(guī)定的20%以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

4.3.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

某拱橋主橋豎彎理論振型如圖5-圖6 所示。

圖5 一階豎向理論振型

圖6 二階豎向理論振型

1.由模態(tài)試驗(yàn)一階實(shí)測(cè)主頻和理論計(jì)算值對(duì)比可以看出，實(shí)測(cè)自振頻率值均大于計(jì)算值，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，滿足設(shè)計(jì)要求；

2.該橋一階自振頻率實(shí)測(cè)值為1.124Hz，考慮到自振頻率僅于結(jié)構(gòu)自身有關(guān)，能夠反映結(jié)構(gòu)的整體剛度，故可以將該參數(shù)作為日后檢測(cè)的重要標(biāo)準(zhǔn)。

3.無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)中，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)應(yīng)變非常規(guī)增長(zhǎng)且保持的現(xiàn)象出現(xiàn)；當(dāng)試驗(yàn)車(chē)輛以不同車(chē)速駛過(guò)橋跨時(shí)，沖擊系數(shù)與車(chē)速之間的相關(guān)性不強(qiáng)；有障礙行車(chē)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的動(dòng)態(tài)增量或沖擊系數(shù)值明顯高于無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)某組合體系拱橋分別進(jìn)行極限狀態(tài)驗(yàn)算及荷載試驗(yàn)，得到結(jié)論如下：

（1）承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算中該組合體系拱橋關(guān)鍵截面強(qiáng)度及吊桿、系桿承載力，正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算中變形驗(yàn)算均滿足要求。

（2）靜載試驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變及變形均滿足要求，卸載后相對(duì)殘余變形也比較小，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)。

（3）在動(dòng)載試驗(yàn)中實(shí)測(cè)自振頻率值均大于計(jì)算值，結(jié)構(gòu)有較好的剛度。相比于無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)，有障礙行車(chē)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的動(dòng)態(tài)增量或沖擊系數(shù)值明顯更高，這說(shuō)明今后應(yīng)注意保持路面平整性從而達(dá)到改善結(jié)構(gòu)的工作狀況的目的。