下承式混凝土剛性系桿拱橋靜載試驗及仿真分析

高文博 朱瑞允

(1.港珠澳大橋管理局，廣東珠海 519095; 2.安徽省高速公路控股集團有限公司，安徽合肥 230022)

0 引言

新建橋梁通車之前需根據相關規范對其進行荷載試驗，以確定橋梁結構的實際工作狀態與其在設計荷載作用下的結構響應是否一致。荷載試驗結果是對橋梁的施工質量可靠性進行綜合評估的重要依據與最有效手段［1-4］。

本文以某新建下承式混凝土剛性系桿拱橋為研究背景，建立該橋的空間梁單元數值模型，通過計算得到其在車道等效靜力荷載作用下關鍵截面的應力和撓度響應值，通過與試驗實測值比較分析，評定該新建橋梁結構的承載能力和使用性能。

1 工程概況

下承式混凝土剛性系桿拱橋，計算跨徑90 m，拱肋計算矢高為18.0 m，計算矢跨比為1/5，考慮兩墩頂高差影響的拱軸線方程為y=(4fx/L2)(L－x)+0.275x。拱肋采用普通鋼筋混凝土矩形實體截面，截面高為1.8 m，寬為1.5 m。拱肋中心距為14.75 m，通過設置于拱頂位置的橫撐連接。主梁采用預應力鋼筋混凝土結構，由系梁、橋面板、端橫梁、中橫梁所組成。系梁標準截面為實心矩形截面，截面高為1.7 m，寬為1.6 m;橋面板厚度為25 cm;端橫梁截面高度為2.45 m，寬度為4.4 m;中橫梁間距為5.0 m，截面高度為1.45 m，寬度為0.6 m。系桿拱橋見圖1。

2 仿真分析

該橋主梁為系梁、橋面板、端橫梁、中橫梁拼接而成的橋面系，將每一片系梁看成是一根獨立的梁，橫向采用連接單元進行連接，可以準確的反映該橋的空間結構行為［5］。

圖1 下承式混凝土剛性系桿拱橋

1)有限元數值模型。依據交通部標準JTGB01-2003公路工程技術標準，JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范和JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范相關條文規定，采用有限元程序Midas 2010建立有限元數值模型。計算模型見圖2。

圖2 下承式混凝土剛性系桿拱橋有限元數值模型

2)荷載效率系數。采用上述有限元數值模型對下承式混凝土剛性系桿拱橋進行分析，得到設計荷載與試驗荷載作用下結構響應值的比值，即荷載效率系數(見表1)。

表1 各試驗工況荷載效率系數

由上表可知，各試驗工況荷載效率系數基本處于0.8～1.05范圍之內，符合YC4-4/1982大跨徑混凝土橋梁的試驗方法要求。

3 測試截面及試驗測點布置

3.1 應變測點

根據結構內力包絡圖確定拱肋拱腳截面、1/4截面、跨中截面、3/4截面為拱肋主要測試截面，主梁端部變截面、跨中截面為系梁主要測試斷面。應變測試斷面及測點布置如圖3，圖4所示。

圖3 應變測試截面布置（單位：cm）

圖4 截面應變測點布置（單位：cm）

3.2 撓度測點

依據活載位移圖和撓度包絡圖確定拱肋的4分點和系梁的8分點斷面為撓度測試斷面，每個斷面在橋梁上下游護欄內側及主梁底面位置布設撓度測點，撓度測試截面與撓度測點布置如圖5，圖6所示。

圖5 撓度測試截面布置（單位：cm）

圖6 撓度應變測點布置（單位：cm）

3.3 吊桿索力增量測點布置

各測試工況下，選擇加載位置附近3對吊桿進行索力增量測試。

4 試驗測試結果與分析

4.1 撓度測試結果及分析

限于篇幅，文中僅給出拱頂截面最大正彎矩、最大豎向位移中載工況下的試驗測試結果及其與理論值的對比(見表2，表3)。

表2 中載工況拱肋撓度實測值與理論值比較

表3 中載工況系梁豎向位移實測值與理論值比較

4.2 應力測試結果及分析

拱頂截面最大彎矩(豎向位移)中載工況上游側拱肋測點應力實測值與理論值比較見表4。

4.3 吊桿索力測試結果及分析

拱頂截面最大彎矩(豎向位移)中載工況控制吊桿索力實測值與理論值比較見表5，圖7。

表4 中載工況上游側拱肋測點應力實測值與理論值比較

表5 中載工況控制吊桿索力實測值與理論值比較

圖7 吊桿索力實測值與理論值比較

5 結語

1)各試驗工況作用下，結構位移、應力實測值與理論值變化趨勢一致，表明文中所采用的有限元數值模型能準確反映結構在荷載作用下的真實響應;

2)該橋進行的各工況荷載試驗的荷載效率系數均處在0.76～1.02之間，試驗實測結果能準確反映橋梁結構的實際受力狀態;該橋在設計荷載作用下各主要受力機構均處于安全狀態，可以滿足實際使用要求;

3)荷載作用下拱肋最大豎向撓度－11 mm，系梁最大撓度+12 mm，遠小于規范l/800=90 000/800=112.5 mm的規定，該橋的剛度滿足設計要求且有一定的安全儲備。卸載后，橋梁結構殘余變形較小，表明在試驗荷載作用下，結構均處于彈性工作范圍;

4)試驗荷載作用下，結構應力實測值與理論值變化趨勢一致，且實測值均小于理論值，橋梁結構的強度滿足規范要求，并有一定的承載潛力。

［1］諶潤水，胡釗芳.公路橋梁荷載試驗［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］YC4-4/1982，大跨徑混凝土橋梁的試驗方法［Z］.

［3］譚冬蓮，寧 立，游金蘭.預制預應力混凝土空心板梁施工現場的靜載試驗研究［J］.筑路機械與施工機械化，2007，24(4)：51-53.

［4］張秋陵，肖光宏.奉節長江大橋成橋荷載試驗研究［J］.世界橋梁，2009(1)：46-48.

［5］E.C.漢勃利.橋梁上部結構性能［M］.郭文輝，譯.北京：人民交通出版社，1982.