沈洋樂(lè) 張廣潮 趙 磊

(1.岳陽(yáng)市城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414000； 2.中鐵武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430074； 3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

1 工程概況

奇康路大橋位于湖南省岳陽(yáng)市奇家?guī)X片區(qū)，該橋橫跨北港河，連接岳陽(yáng)主干道湘北大道和白石嶺經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，于2018年12月20日建成通車。橋梁全長(zhǎng)432.06 m，包括主橋和引橋，全橋立面如圖1a)所示。主橋?yàn)?2+7×38+22=310 m上承式拱橋，主拱與腹拱均采用單箱八室截面[1]，如圖1b)所示，每個(gè)箱室凈寬2.95 m，拱肋高1.4 m，頂板與底板厚0.22 m，腹板厚0.6 m。主拱與腹拱僅在邊跨位置固結(jié)，其余位置則采用簡(jiǎn)支連接，拱上填料采用泡沫輕質(zhì)土，拱頂?shù)缆分行木€處填料厚度0.6 m。引橋采用4×30=120 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，引橋箱梁為單箱五室截面，梁高1.8 m，頂板厚0.22 m，底板厚0.22 m～0.4 m，腹板厚0.4 m～0.6 m，懸臂端最外側(cè)厚0.22 m。主橋及引橋的橋?qū)捑鶠?9 m，橋面為雙向六車道，兩側(cè)各設(shè)置0.25 m的欄桿和3 m的人行道，中央設(shè)置0.5 m分隔帶。

2 有限元模型分析

2.1 有限元模型的建立

借助通用有限元軟件Midas/Civil建立奇康路大橋的理論分析模型[2]，采用空間梁?jiǎn)卧M主拱、腹拱以及引橋主梁，拱上的泡沫輕質(zhì)土采用桁架單元進(jìn)行模擬。將每個(gè)主拱離散為72個(gè)梁?jiǎn)卧?，每個(gè)腹拱離散為36個(gè)梁?jiǎn)卧靠缫龢螂x散為120個(gè)梁?jiǎn)卧?，泡沫輕質(zhì)土沿著主橋縱向離散為576個(gè)桁架單元，全橋共1 440個(gè)單元，1 356個(gè)節(jié)點(diǎn)。

主拱為兩鉸拱，為模擬主拱的邊界條件，約束每個(gè)主拱拱腳節(jié)點(diǎn)3個(gè)方向的平動(dòng)自由度。邊跨腹拱與主拱固結(jié)，其余腹拱與主拱鉸接，為了模擬腹拱的邊界條件，除在邊跨處腹拱的拱腳與主拱共節(jié)點(diǎn)，其余腹拱在拱腳處均采用釋放梁端約束，以模擬與主拱的鉸接[3]，所建立的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)靜力分析

按照規(guī)范和設(shè)計(jì)資料為所建立的有限元模型施加荷載，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)靜力性能進(jìn)行分析，主要計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)成橋階段在最不利荷載組合狀態(tài)下的應(yīng)力和撓度分布[4,5]。

橋梁在承載能力極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，在最不利荷載組合狀態(tài)下，主橋要縱橋向以受壓為主，以主拱1為例，其拱腳與拱頂截面的壓應(yīng)力分別為0.50 MPa和0.32 MPa。

圖4為橋梁在承載能力極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)撓度結(jié)果，由圖4可知，主橋主拱沿縱橋向最大撓度出現(xiàn)在主拱3拱頂截面，為0.57 mm，主橋腹拱沿縱橋向最大撓度出現(xiàn)在腹拱3拱頂截面，為1.39 mm。

2.3 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

借助所建立的有限元模型對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算分析，得到主橋和引橋的一階振型模態(tài)如圖5所示。由圖5可知，主橋和引橋一階振型均表現(xiàn)為豎向彎曲，通過(guò)計(jì)算獲得主橋和引橋一階頻率分別為3.59 Hz和4.54 Hz。

3 靜載試驗(yàn)

3.1 荷載工況

根據(jù)該橋的特點(diǎn)，擬進(jìn)行試驗(yàn)的工況如下：

1)主拱圈跨中截面正載及偏載工況(圖1中截面4—4,8—8,12—12,16—16,20—20,24—24,28—28)。

2)主拱圈拱腳截面正載及偏載工況(圖1中截面1—1,3—3，5—5，7—7，9—9，11—11，13—13，15—15，17—17，19—19，21—21，23—23，25—25，27—27，29—29，31—31)。

3)腹拱圈拱頂截面正載及偏載工況(圖1中截面2—2，6—6，10—10，14—14，18—18，22—22，26—26，30—30)。

4)引橋邊跨最大正彎矩截面(距橋臺(tái)13 m)、中跨支點(diǎn)最大負(fù)彎矩截面和中跨最大正彎矩截面(中跨跨中)，如圖1中截面32—32，33—33，34—34。

3.2 測(cè)試內(nèi)容

在靜力荷載作用下，主要對(duì)各個(gè)控制截面的應(yīng)變和撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)的裂縫情況進(jìn)行觀測(cè)[6]。對(duì)于應(yīng)變數(shù)據(jù)，在橋梁混凝土表面粘貼應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，采用DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集，對(duì)于撓度數(shù)據(jù)，采用高精度電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

沿橋梁縱向在每個(gè)主拱的拱頂和拱腳、腹拱的拱頂，以及引橋邊跨和中跨的跨中及支點(diǎn)處共計(jì)34個(gè)截面布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。根據(jù)CJJ/T 233—2015城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范規(guī)定，對(duì)應(yīng)變?cè)囼?yàn)測(cè)點(diǎn)橫橋向不得少于3點(diǎn)，結(jié)合該橋的箱梁結(jié)構(gòu)型式，對(duì)截面進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試的測(cè)點(diǎn)橫截面布置如圖6所示。

對(duì)于撓度測(cè)量，沿橋梁縱向在主拱、腹拱、引橋邊跨和引橋中跨共計(jì)17個(gè)截面布置撓度測(cè)點(diǎn)，每個(gè)截面沿橫橋向在兩側(cè)人行道內(nèi)邊緣和中間分隔帶處各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，工程加載車布置如圖7所示。

3.4 加載車位置

本試驗(yàn)以采用最小的加載車輛盡可能提高加載效率為原則，同時(shí)在加載條件滿足的情況下，適當(dāng)?shù)暮喜⒓虞d工況，進(jìn)而簡(jiǎn)化加載工況，以縮短試驗(yàn)時(shí)間，最終確定加載位置[7]。對(duì)于主橋，每個(gè)主拱和腹拱的拱頂與兩端拱腳三個(gè)截面作為加載點(diǎn)；對(duì)于引橋，邊跨取跨中最大正彎矩截面，中跨取跨中最大正彎矩截面和支點(diǎn)最大負(fù)彎矩截面作為加載點(diǎn)，各個(gè)截面均考慮正載和偏載兩種工況，主拱拱頂正載示意圖如圖7所示。

3.5 測(cè)試結(jié)果

3.5.1撓度測(cè)試曲線

圖8為靜力荷載作用下主橋主拱1和引橋中跨正載加載工況對(duì)應(yīng)的荷載—撓度曲線。由圖8a)可知，在正8車靜力荷載作用下，主橋主拱1實(shí)測(cè)最大撓度值為0.55 m，對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值為0.57 mm，即實(shí)測(cè)值接近且小于理論計(jì)算值，其余各主拱和腹拱撓度結(jié)果均滿足該規(guī)律，說(shuō)明主橋剛度滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。從圖8b)中可以看出，引橋中跨在正8車靜力荷載作用下，實(shí)測(cè)跨中撓度為2.69 mm，小于對(duì)應(yīng)的有限元模型計(jì)算值3.15 mm，由此說(shuō)明引橋剛度滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

3.5.2應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

主橋各跨主拱拱頂在靜力荷載作用下，檢測(cè)結(jié)果如表1所示，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.67～0.99之間，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值具有一致的規(guī)律性，且數(shù)值相接近。說(shuō)明主橋的強(qiáng)度滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

表1 主橋各跨主拱拱頂應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

靜力荷載作用下，引橋應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果如表2所示，由表2可知，引橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.86～0.96之間，實(shí)測(cè)值均小于且接近理論計(jì)算值，說(shuō)明引橋的強(qiáng)度滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

表2 引橋應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

4 動(dòng)載試驗(yàn)

4.1 荷載工況

動(dòng)載試驗(yàn)工況分為脈動(dòng)、跑車、剎車以及跳車4種[8]，每種工況均對(duì)7個(gè)主拱圈、8個(gè)腹拱圈、2個(gè)橋端半拱以及引橋邊跨和中跨分別進(jìn)行加載，共計(jì)76種荷載工況。脈動(dòng)試驗(yàn)是測(cè)量橋梁在無(wú)車輛通行時(shí)，在環(huán)境隨機(jī)激振下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而提取橋梁的自振特性。跑車試驗(yàn)采用2輛重車在中央分隔帶兩側(cè)并排行駛，行駛速度分別取10 km/h，30 km/h和50 km/h。跳車和剎車試驗(yàn)則在主橋每個(gè)主拱和腹拱拱頂截面以及引橋中跨和邊跨跨中截面處進(jìn)行跳車和剎車，其中，剎車車速為30 km/h，跳車車速為10 km/h，跳車楔塊高度為10 cm[9]。

4.2 測(cè)試內(nèi)容

在動(dòng)力荷載試驗(yàn)中，采用941B拾振器測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)各個(gè)截面在各種工況作用下的動(dòng)態(tài)位移，進(jìn)而得到橋梁結(jié)構(gòu)的自身動(dòng)力性能，即自振特性，包括結(jié)構(gòu)自振頻率、阻尼比和振型，以及橋梁在汽車荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，確定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大系數(shù)，即沖擊系數(shù)[10]。

4.3 測(cè)點(diǎn)布置

將橋梁沿縱向分為三段分別進(jìn)行測(cè)量，在橋端設(shè)置一個(gè)參照點(diǎn)，最終通過(guò)參照點(diǎn)將三段測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析。梁縱向在每個(gè)主拱圈和腹拱圈的支點(diǎn)與跨中截面布置941B型拾振器，拾振器沿橋梁橫向放置在非機(jī)動(dòng)車道外邊緣處。

4.4 脈動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果

圖9為主橋在自然環(huán)境下的脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果曲線，由圖9可知，實(shí)測(cè)主橋基頻為4.25 Hz，高于采用有限元模型分析得到的主橋理論基頻3.59 Hz。引橋?qū)崪y(cè)基頻為4.75 Hz，高于其理論基頻4.54 Hz，說(shuō)明該橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度能夠滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

4.5 跳車及跑車實(shí)測(cè)結(jié)果

圖10為主橋跳車試驗(yàn)結(jié)果，由圖10可知，在該次跳車工況下，橋梁最大動(dòng)撓度為0.026 44 mm，將多次跳車工況結(jié)果匯總可知，主橋各跨實(shí)測(cè)動(dòng)撓度在0 mm～0.065 mm范圍內(nèi)，阻尼比2.02%～13.08%范圍內(nèi)；引橋各跨實(shí)測(cè)動(dòng)撓度在0 mm～0.474 mm范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)阻尼比在2.71%～6.78%范圍內(nèi)。

圖11給出了時(shí)速為30 km/h的跑車試驗(yàn)時(shí)程曲線，由圖11可知，在該種跑車工況下，橋梁最大動(dòng)位移0.002 08 mm，最小動(dòng)位移為0.001 52 mm，由此可算橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力沖擊系數(shù)。橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)(動(dòng)力放大系數(shù))應(yīng)根據(jù)跑車試驗(yàn)中不同速度下記錄的動(dòng)變位曲線進(jìn)行分析，并應(yīng)按下列公式計(jì)算[11,12]：

(1)

(2)

其中，μdyn為動(dòng)力放大系數(shù)(沖擊系數(shù))；Smax為車輛行駛時(shí)，動(dòng)態(tài)車輛荷載作用下測(cè)點(diǎn)的最大變位；Smin為車輛行駛時(shí)，動(dòng)態(tài)車輛荷載作用下測(cè)點(diǎn)的最小變位；Smean為車輛行駛時(shí)，動(dòng)態(tài)車輛荷載作用下測(cè)點(diǎn)的平均變位。

將跑車試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)計(jì)算可得，主橋各跨實(shí)測(cè)動(dòng)撓度在0 mm～0.012 mm范圍內(nèi)，其沖擊系數(shù)在0.10～0.45范圍內(nèi)，最大沖擊系數(shù)為0.45。引橋各跨實(shí)測(cè)動(dòng)撓度在0 mm～0.049 mm范圍內(nèi)，沖擊系數(shù)在0.11～0.42范圍內(nèi)，最大沖擊系數(shù)為0.42。

由以上分析可知，各跨橋梁結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)、跳車以及跑車等各種工況動(dòng)力荷載作用下，實(shí)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的基頻均大于理論分析值，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度能夠滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求[13]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以岳陽(yáng)市奇康路大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用Midas/Civil軟件建立橋梁的有限元模型進(jìn)行理論分析，通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)靜力和動(dòng)力荷載試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：

1)奇康路主橋和引橋各跨在靜力荷載作用下，各個(gè)截面應(yīng)變、撓度實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，橋梁結(jié)構(gòu)工作正常，承載力和剛度滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

2)奇康路主橋和引橋各跨在脈動(dòng)、跑車以及跳車等動(dòng)力荷載工況下，結(jié)構(gòu)響應(yīng)正常，實(shí)測(cè)頻率均大于理論計(jì)算值，橋梁動(dòng)剛度以及沖擊系數(shù)等能夠滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，岳陽(yáng)奇康路大橋在靜力和動(dòng)力荷載試驗(yàn)時(shí)，結(jié)構(gòu)均處于正常工作狀態(tài)，該橋梁結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)荷載通行使用要求。