大跨度鋼管混凝土系桿拱橋荷載試驗研究

劉 榮

（四川路橋橋梁工程有限責任公司，四川 成都 610000）

1 工程概況

該橋主跨為2×160m下承式鋼管混凝土系桿拱橋。主拱為橫啞鈴形桁式拱，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數1.167，矢跨比1/5，拱肋為鋼管混凝土桁式結構，截面全寬2.0m，高度為3.6m。每片拱肋由4根鋼管組成（弦桿內灌注C60微膨脹混凝土）。上、下弦橫向兩根鋼管之間分別用鋼板作為平聯。每跨拱肋設置1道一字型橫撐，2道K型橫撐。設計荷載為公路I級。全橋布置圖如圖1所示。面為16個測點外，L/4、拱頂和3L/4截面均布置8個應變測點，全橋共設應變測點112個，采用外貼振弦式傳感器測量主拱肋應變。吊桿力僅測量每個工況加載車輛范圍內的上下游吊桿，采用頻率法進行測量。

圖1 總體布置圖（單位：cm）

2 荷載試驗

荷載試驗的目的是驗證橋梁結構的設計理論和計算方法是否合理，檢驗設計及施工質量，判斷橋梁結構的實際承載能力，了解橋跨結構的固有振動特性以及其在長期使用階段的動力性能。結合本橋的結構特點，選取拱腳、L/4、拱頂截面以及4#、5#墩墩底截面作為結構內力控制截面，并以此安排加載工況。

2.1 靜載試驗加載方案

采用Midas/Civil建立全橋的空間有限元模型，通過計算分析，加載車輛選取450kN雙橋車（前軸重90kN，中后軸均為180kN，前中軸軸距4m，中后軸軸距1.4m）進行加載，各靜載試驗工況的效率系數如表1所示。從表中可以看出，效率系數位于0.95～1.03，滿足交通部《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011，以下簡稱“評定規程”）的要求。

表1 各靜載工況荷載效率系數

2.2 測點布置及測試儀器

主拱撓度測點分別布置在上下游拱肋的兩側拱腳、L/4、拱頂、3L/4處，橋面撓度測點布置于拱肋測點對應位置，全橋共設撓度測點40個，采用全站儀進行撓度觀測。主拱截面應力測點布置如圖2所示（圖中三角形為應變測點），除拱腳截

圖2 拱肋應變測點布置圖

2.3 動載試驗內容

本橋動載試驗包括了脈動試驗、無障礙行車試驗和有障礙行車試驗。無障礙和有障礙行車試驗主要測記主梁應力動態增大效應和動撓度，測點布置在GP跨主拱拱頂截面和主梁跨中截面處。

2.3.1 脈動試驗

測定結構固有振動特性（頻率和臨界阻尼比）。即在橋面無任何交通荷載以及橋梁附近無規則振源的情況下，測定橋跨結構由于橋址處風荷載、地脈動、水流等隨機荷載激振而引起的橋跨結構微幅振動響應。

2.3.2 無障礙行車試驗

主要用于模擬和測定橋面鋪裝層完好時運行車輛荷載作用下橋跨結構的動力反應。即在橋面無任何障礙的情況下，用兩輛重載汽車（單車總重約450kN）分橋軸線對稱和橋軸線非對稱（橋軸線對稱指的兩輛車同向分別行駛在上下行車道的中央，橋軸線非對稱指的是兩輛同向行駛在上行車道或下行車上）兩種情況，以每小時10km、20km、30km、40km的速度往返通過橋跨結構，測定橋跨結構在運行車輛荷載作用于的動力反應。

2.3.3 有障礙行車試驗

模擬橋面鋪裝局部損傷，測定橋跨結構在運行車輛荷載作用下的動力反應。其動載試驗荷載及其作用方法與無障礙行車試驗相同。不同的是，需在橋跨結構GP方向起邊跨試驗截面至主跨跨中截面處橋面上設置高度分別為5cm高障礙物（其橫斷面為底寬20cm，矢高5cm的弓形木板），模擬橋面鋪裝局部損傷狀態，以測定橋跨結構在橋面不良狀態時運行車輛荷載作用下的動力反應，行車速度每小時10km、20km、30km、40km。

3 靜載試驗結果分析

由于本橋試驗工況及測點較多，限于篇幅，僅列出工況二荷載作用下GP跨的試驗結果進行分析。本橋在工況二荷載作用下的拱肋撓度及橋面撓度實測數據及校驗系數等見表2所示，表中數據負值表示撓度向下，正值向上。從表2中數據可以看出，校驗系數位于0.38～0.94，且相對殘余變形均小于20%，說明橋梁處于良好的彈性工作狀態，整體剛度滿足公路I級荷載的要求。

表2 工況二GP跨拱肋及橋面撓度實測值

圖4 一階自振模態圖（橫橋向）

無障礙行車及有障礙行車在不同車速下主梁跨中位置處的沖擊系數見表4；跨中動應變測點的時程響應見圖5，篇幅所限，僅列出有障礙行車工況。

圖5 有障礙行車動應變時程曲線

主拱肋在工況二荷載作用下的實測換算應力如圖3所示，圖中數據拉應力為正，壓應力為負。根據測量結果，工況二荷載作用下主拱肋應變校驗系數位于0.43～0.89，均小于1，且卸載過程中應變回復較好，未發現殘余大于20%的狀況。說明結構處于正常的線彈性狀態。

圖3 工況二GP跨主拱應力圖（橫橋向）

工況二荷載作用下GP跨吊桿力實測值見表3所示。表中S表示上游側吊桿，X表示下游側吊桿，編號順序從SQ向GP側依次增加。從表中數據可以看出，吊桿力實測數據與理論計算值基本符合，校驗系數在0.82～0.95之間，均小于1，且上下游相應吊桿力之間差值較小。

表3 工況二GP跨吊桿力實測值

4 動載試驗結果分析

采用Midas/Civil結構分析軟件對本橋進行模態分析，得出一階自振頻率理論值為0.722Hz，實測一階自振頻率值為0.784Hz，實測值略高于理論值，比值為1.086，說明實際結構的剛度要略大于計算模型。圖4為理論計算模態。

表4 主梁跨中位置處沖擊系數實測數據

從表4中數據可以看出，在無障礙行車時，實測沖擊系數與理論沖擊系數比較接近；有障礙行車時，沖擊系數大于理論計算值，所以在運營過程中，要注意對橋面鋪裝的檢查，及時修補鋪裝破損位置，避免過大的沖擊系數對橋梁造成損傷。

5 結論及建議

各試驗工況的荷載效率系數處于0.95～1.03，滿足評定規程的要求，說明試驗荷載能夠反映設計荷載對結構的作用，試驗結果具有參考價值；各工況撓度及應力校驗系數均小于1，表明橋梁的實際狀況好于理論狀況，具有一定的安全儲備及良好的整體剛度；試驗過程中，結構的幾何變形、應力重復性良好，卸載后相對殘余均小于20%，表明結構處于彈性工作狀態；實測主橋基頻為0.784Hz，理論值為0.722Hz，說明結構實際剛度略大于理論剛度；實測沖擊系數與理論沖擊系數較為接近，結構具有良好的動力性能，能夠滿足使用要求；有障礙行車時實測沖擊系數較大，為1.15～1.23，所以在運營過程中，要注意對橋面鋪裝的檢查，并及時修補鋪裝破損位置，避免過大的沖擊系數對橋梁造成損傷。

[1] 交通部公路科學研究所.大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[M].北京：人民交通出版社，1982.

[2] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工[M].北京：人民交通出版社，1999.

[3] JTG D60-2004 公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4] JTG/T J21-2011 公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5] 蘇龍，肖池，胡章立.六盤水市白鶴高架橋荷載試驗及分析[J].公路工程，2010（05）:121-127.

[6] 劉武飛.鋼管混凝土土拱橋結構動力荷載試驗分析[J].公路工程，2012（0 3）:106-110.