陳艷瓊，鄭 振，劉建鑣，吳志華

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院土木工程學(xué)院，福建 福州 350007；2.福州大學(xué)，福建 福州 350108；3.福建省高速路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 福州 350001）

改革開放以來， 隨著我國基本建設(shè)投資的加大和施工技術(shù)水平的提高， 我國的橋梁建設(shè)數(shù)量大幅度增加。 截至2022 年底， 我國公路橋梁已達(dá)96.11萬座，取得了很高的技術(shù)成就。 與此同時(shí)，我國公路路網(wǎng)中步入維修期的在役橋梁也日漸增多， 有超過10 萬座橋梁為危橋。 為了新建橋梁、進(jìn)行了加固或改建后橋梁的通車安全， 應(yīng)根據(jù)公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程［1］，公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程［2］等，需要對橋梁，尤其是大跨徑橋梁，進(jìn)行荷載試驗(yàn)及分析，以檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用狀態(tài)和承載能力是否符合設(shè)計(jì)要求。近年來，有不少學(xué)者對拱橋荷載試驗(yàn)做了研究和探討，如林友勤等［3］對汽車靜載試驗(yàn)及分析做了研究和探討；羅鴻［4］、曹嚴(yán)［11］等對鋼筋混凝土拱橋的靜動(dòng)載試驗(yàn)及分析做了研究和探討； 方彬［5］對鋼筋混凝土箱型拱橋的檢測、 評(píng)定與加固等做了研究和探討；馮永清［7］對帶有飛燕的中承式大跨徑鋼管混凝土拱橋受力進(jìn)行綜合分析， 驗(yàn)證了大橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性及施工質(zhì)量；鄭凱［8］針對中承式鋼管砼系桿拱橋承載能力、 工作性能及運(yùn)營可靠性等做了研究與分析；楊大偉［9］對大橋鋼管混凝土拱橋邊拱肋鋼管樁支撐的鋼管支架體系傳遞和分配荷載的特點(diǎn)進(jìn)行了研究和分析，也都取得了一定的成就。但不同的橋梁因其結(jié)構(gòu)、施工或運(yùn)行狀況不同，所采用的具體試驗(yàn)方法及分析結(jié)果均有所差異， 因此很有必要對不同結(jié)構(gòu)和現(xiàn)況的大跨徑拱橋展開荷載試驗(yàn)研究。 文章以凈跨徑133 m 的鋼管拱橋的主橋?yàn)槔?介紹大跨徑鋼筋砼箱型肋拱橋的靜載試驗(yàn)及結(jié)果分析。

1 工程概況

福建省某鋼筋砼鋼管拱橋， 大橋主橋?yàn)橹谐惺戒摻罨炷料湫碗p肋拱橋，凈跨徑133 m。主橋上部結(jié)構(gòu)在上下游設(shè)置2 條單箱型拱肋，箱間設(shè)橫隔板，2 條拱肋與橋面交接處設(shè)置三角箱梁，橋面上方設(shè)2道X 橫撐，將2 條拱肋連在一起。 橋面系由橫梁、縱梁、微彎板組成，其中橫梁由吊索懸掛與縱梁組成平面梁格形式。 全橋共設(shè)21 根懸吊式橫梁、8 根縱梁。 全橋長195.88 m，橋面行車道寬9 m，人行道寬2 m×1.5 m。 大橋設(shè)計(jì)荷載為汽-20、掛-100，人群荷載為400 kg／m，設(shè)計(jì)洪水頻率為百年一遇，設(shè)計(jì)通航標(biāo)準(zhǔn)為五級(jí)、通航凈空8 m。另現(xiàn)況主橋西邊拱肋的橋面附近位置在建設(shè)后出現(xiàn)了2 條寬約0.2 mm，長度0.8 m 以內(nèi)的橫向裂縫。

2 靜載試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)測試內(nèi)容

大橋系凈跨徑為133 m 中承式箱肋拱橋，按照受力最不利原則，選用測試斷面為l/4 拱跨截面、拱頂、兩拱腳。 另外，由于測試前該橋主橋西邊拱肋在勞教所方向橋面附近位置出現(xiàn)了2 條橫向裂縫，決定在裂縫處各增加一個(gè)測試斷面， 分別為勞教所方向橋面處拱肋截面、 勞教所方向第2 根吊桿處拱肋截面，具體測試項(xiàng)目如下：

（1）拱頂最大正彎矩時(shí)截面應(yīng)力；（2）1/4 拱跨最大正彎矩時(shí)截面應(yīng)力；（3）拱腳最大負(fù)彎矩時(shí)截面應(yīng)力；（4）勞教所方向橋面處拱肋按最不利情況布載時(shí)的截面應(yīng)力；（5）勞教所方向第2 根吊桿處拱肋按最不利情況布載時(shí)的截面應(yīng)力；（6）橋面在各工況荷載作用下的撓度；（7） 拱肋在各工況荷載作用下的撓度；（8）吊桿在各工況荷載作用下的變形；（9）觀測各主要控制斷面在試驗(yàn)荷載作用下是否出現(xiàn)新裂縫，原有裂縫是否發(fā)展。

2.2 試驗(yàn)車輛及儀器

2.2.1 試驗(yàn)加載車輛

大橋設(shè)計(jì)荷載為汽-20、掛-100，因此靜載試驗(yàn)選用6 部雙軸載重汽車來模擬設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行加載。6部載重汽車按①~⑥編號(hào)， 其中①、 ②號(hào)兩部為重車，6 部車總重量為169.74 t。 所用6 部車輛的軸重及重量見表1。

表1 加載汽車重量（單位：t）

2.2.2 測試儀器

（1）拱肋及橋面撓度：精度±0.01 mm 的DS03 高精密自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀、標(biāo)尺、l m 長鋼板尺；（2）吊桿變形：張線式位移計(jì)、精度±0.01 mm 的DS03 高精密自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀、 標(biāo)尺；（3） 拱箱截面應(yīng)力：精度±1 με 的YJ-31 型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、電阻應(yīng)變片；（4）裂縫：刻度放大鏡、最小分劃值0.01 mm 的裂縫計(jì)。

2.3 現(xiàn)場測試

2.3.1 測點(diǎn)布置及測試方法

（1）拱肋截面應(yīng)力及撓度測試。大橋主拱由兩片拱肋組成， 根據(jù)橋的對稱性以及現(xiàn)場調(diào)查情況確定重點(diǎn)對西邊一片拱肋進(jìn)行測試。

截面應(yīng)力采用電阻應(yīng)變片及靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行測試，測試斷面布置如圖1（a）所示，其中，1-1 斷面為拱頂截面，2-2 為1/4 拱跨截面，3-3 為勞教所方向拱腳截面，4-4 為勞教所方向橋面處拱肋截面，5-5為勞教所方向第2 根吊桿處拱肋截面。 每個(gè)測試斷面均布置四個(gè)應(yīng)變片，如圖1（b）所示。

圖1 （a） 拱肋截面應(yīng)力測試斷面示意圖

拱肋撓度采用DS03 高精密自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀及1 m 長鋼板尺進(jìn)行測試。全橋布置三個(gè)測點(diǎn)，分別位于拱頂（b 測點(diǎn)）、1/4 拱跨（c 測點(diǎn)）及勞教所方向第2 根吊桿處拱肋（a 測點(diǎn)），如圖2 所示。

圖2 拱肋撓度測點(diǎn)布置示意圖

（2）橋面撓度。 橋面撓度采用DS03 高精密自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀及標(biāo)尺進(jìn)行測試。 全橋共在橋面西側(cè)對稱布置五個(gè)測點(diǎn)， 分別位于勞教所方向第2 根吊桿處（①測點(diǎn)）、3/4 跨（②測點(diǎn)）、跨中（③測點(diǎn)）、1/4 跨（④測點(diǎn)）、“三農(nóng)”方向第2 根吊桿處（⑤測點(diǎn)）。測點(diǎn)布置如圖3 所示。

圖3 橋面撓度測點(diǎn)布置示意圖

（3）吊桿變形。 吊桿變形測試采用兩種方法：一是張線式位移計(jì)觀測， 二是DS03 高精密自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀及標(biāo)尺觀測，這兩種方法可起到相互校核作用。 全橋共測試2 根吊桿， 分別為跨中吊桿（A 測點(diǎn)）、“三農(nóng)”方向1/4 拱跨處吊桿（B 測點(diǎn)）。

2.3.2 加載工況

在全橋測試設(shè)備安裝完畢后， 應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，并進(jìn)行不少于15 min 的穩(wěn)定觀測，然后在氣溫平穩(wěn)的時(shí)段，開始利用6 部載重汽車按等效方式進(jìn)行加載測試， 試驗(yàn)荷載效率ηq 按規(guī)范要求控制在0.95～1.05。 ηq 按下面公式計(jì)算。

為了驗(yàn)證橋梁主要構(gòu)件、薄弱處構(gòu)件的承載能力及橋梁吊桿更換后的加固效果，根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（2015）規(guī)定，加載工況按控制截面位置不同，分成四個(gè)工況，并按各測試項(xiàng)目的最不利受力原則進(jìn)行偏心布載。

（1）工況一的控制截面為拱頂，按拱頂正彎矩最大影響線加載，靜載試驗(yàn)效率ηq＝0.97。

（2）工況二的控制截面為1／4 拱跨截面，按截面正彎矩最大影響線加載，靜載試驗(yàn)效率ηq＝1.01。

（3）工況三的控制截面為拱腳截面，按勞教所方向拱腳負(fù)彎矩最大影響線加載， 靜載試驗(yàn)效率ηq＝1.05。

（4）工況四的控制截面為橋面處拱肋截面，按該截面最不利情況布載，靜載試驗(yàn)效率ηq＝1.01。

2.3.3 測試結(jié)果記錄

（1）通過汽車加載測試，分別測出5 個(gè)拱肋測試截面在四個(gè)不同加載工況下的應(yīng)變值，記錄在冊，再把各個(gè)應(yīng)變實(shí)測值乘以砼彈性模量E （E=3.3×104MPa），計(jì)算出相應(yīng)的截面應(yīng)力實(shí)測值，記入表2 中。

表2 各工況荷載作用下拱肋截面應(yīng)力實(shí)測值與理論值（MPa）

（2）分別測出a、b、c 測點(diǎn)在四個(gè)不同加載工況下的拱肋撓度實(shí)測值Se，記入表3 中。

（3）分別測出①、②、③、④、⑤測點(diǎn)在四個(gè)不同加載工況下的橋面撓度值Se，記入表4 中。

表4 橋面在各工況荷載作用下的撓度實(shí)測值與理論值 （單位：mm）

（4）分別測出A、B 兩個(gè)測點(diǎn)處吊桿在工況一、二下的吊桿變形實(shí)測值，記入表5 中。

表5 吊桿變形值、應(yīng)力值及安全系數(shù)

2.3.4 裂縫觀測

裂縫觀測的重點(diǎn)是結(jié)構(gòu)承受拉力較大部位及原有裂縫部位。 通過現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，在靜載試驗(yàn)加載過程中，拱肋各主要控制斷面均未有新裂縫出現(xiàn)，主橋西邊拱肋在勞教所方向橋面附近位置既有的2 條橫向裂縫在加載過程中沒有發(fā)展。

3 有限元模型分析計(jì)算

3.1 建立空間有限元模型

大橋主橋上部結(jié)構(gòu)是由橋面微彎板、 縱梁、橫梁、吊桿及砼箱形拱肋等組成柔性吊桿剛性拱的空間整體受力結(jié)構(gòu)，受力較為復(fù)雜，因此采用大型有限元分析通用軟件Algor 2012 進(jìn)行建模和理論計(jì)算。大橋的空間有限元模型主要以空間梁為單元建模，模擬主跨拱橋結(jié)構(gòu)，每兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間為1 個(gè)單元，全橋共分為652 個(gè)單元，419 個(gè)結(jié)點(diǎn)［3］。 建模時(shí)兩拱肋支座為三向固結(jié)，主橋橋面兩頭為簡支，橋面板的作用力分?jǐn)偟娇v梁上。 另外吊桿只承受拉力、 不承受彎矩， 因此在建模時(shí)可以將吊桿的抗彎剛度設(shè)為較小值［3］，由此建立的空間有限元模型見圖4。

圖4 Algor 空間有限元模型

3.2 靜力計(jì)算方法及結(jié)果

根據(jù)圖4 的空間有限元模型， 利用Algor 2012的靜力計(jì)算程序， 進(jìn)行各加載工況的靜力計(jì)算。 在給空間有限元模型加載時(shí)， 由計(jì)算機(jī)在橋面汽車荷載的具體位置建立相應(yīng)的單元體， 并在其結(jié)點(diǎn)施加相應(yīng)的荷載力，同時(shí)給單元體一個(gè)較大的剛度，使結(jié)點(diǎn)力能迅速傳給縱梁，再由縱梁傳給橫梁和吊桿，完成荷載傳遞［11］?？v梁還考慮了橋面連續(xù)部分的作用，更符合實(shí)際情況。

在吊桿的計(jì)算時(shí)， 不僅給出了吊桿在各工況下的變形及應(yīng)力， 還計(jì)算了吊桿在恒載與試驗(yàn)荷載作用下的變形與應(yīng)力。 計(jì)算時(shí)，未考慮材料強(qiáng)度折減，檢算系數(shù)主要選取拱肋應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)、 拱肋及橋面撓度校驗(yàn)系數(shù)、吊桿安全系數(shù)［12］。 Algor 計(jì)算出的各加載工況下5 個(gè)斷面的拱肋截面應(yīng)力理論值見表2，3 個(gè)測點(diǎn)的拱肋撓度理論值見表3，5 個(gè)測點(diǎn)的橋面撓度理論值見表4，2 根吊桿變形理論值見表5。用表5 中的吊桿彈性變形實(shí)測值及理論計(jì)算值變形， 分別乘以吊桿高強(qiáng)鋼絲的彈性模量E=1.9×105MPa，得出吊桿應(yīng)力值、總應(yīng)力值，并計(jì)算出安全系數(shù)（安全系數(shù)=屈服強(qiáng)度/總應(yīng)力值），見表5（表中恒載作用下的吊桿應(yīng)力理論值是根據(jù)有限元的計(jì)算結(jié)果得到的）。

4 結(jié)論

從有限元模型分析得出的理論結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果（見表2~表5）進(jìn)行對比，結(jié)合現(xiàn)場裂縫觀測結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）拱肋各測試斷面按其最不利情況布載所測出的應(yīng)力值均小于設(shè)計(jì)理論值，校驗(yàn)系數(shù)均小于1，說明大橋拱肋強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）拱肋及橋面板在各工況荷載作用下的撓度實(shí)測值Se 均小于設(shè)計(jì)理論值Ss， 校驗(yàn)系數(shù)η 在0.60～0.88 之間，汽車退載變形均能恢復(fù)，說明大橋整體剛度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求， 全橋處于彈性工作狀態(tài)。

（3）主橋拱肋出現(xiàn)的2 條橫向裂縫，在加載過程中沒有發(fā)展， 且該2 處截面在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測值比理論值來得小，證明2 條裂縫均已基本穩(wěn)定，同時(shí)也說明此2 處裂縫不是因結(jié)構(gòu)受力引起的，該截面的剛度并沒有削弱，也不影響整體結(jié)構(gòu)性能。

（4）兩根吊桿的實(shí)測安全系數(shù)分別為2.75（拱頂）、2.78（1/4 拱跨），均大于設(shè)計(jì)安全系數(shù)2.51（拱頂）、2.56（1/4 拱跨），滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，通過汽車靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋現(xiàn)狀滿足汽-20、掛-100 的設(shè)計(jì)通行能力。