鋼管混凝土拱橋荷載試驗分析

程天甫 周金枝

(湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北武漢 430068)

鋼管混凝土拱橋施工難度大，結構受力復雜，主拱承受較大壓應力，通過荷載試驗可以清楚了解鋼管混凝土拱橋受力狀況，從而評估橋梁結構的使用性能和承載能力，為橋梁的運營管理提供參考。對于鋼管混凝土拱橋的荷載試驗一般要對拱頂、拱腳、梁體跨中及其他拱肋控制截面應力和撓度、吊桿張力測定。試驗工作可分為準備階段(結構計算、測試截面和加載方式的確定)、加載階段(現場試驗)、分析和總結階段。

1 荷載試驗的依據

本次關于下承式鋼管混凝土拱橋荷載試驗的依據或參考以下規范和資料來進行:

1)JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范;2)JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范;3)JTG F80 1-2004公路工程質量檢驗評定標準;4)《公路橋梁承載能力檢測評定規程》送審稿;5)《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》;6)JTG H11-2004公路橋涵養護技術規范。

2 荷載試驗的目標

按照上節荷載試驗的依據中有關橋梁鑒定、檢測的要求，對新建成橋梁進行常規意義上的試驗，確定橋梁建造的質量和橋梁的承載能力及運營安全性。因此，通過對橋梁進行荷載試驗，達到以下要求:

1)對橋梁的外觀、線形進行檢查和測量，檢查橋梁的建造質量是否滿足規范和設計要求;2)通過靜載試驗，對測試截面的應變分布情況、截面的抗裂性等進行分析，并評估橋梁機構實際承載能力;3)通過分析在荷載試驗時實測截面的撓度情況來評估橋梁結構的剛度及整體性;4)通過動載試驗，了解橋跨結構的固有振動特性，確定其動力性能;5)建立橋梁“指紋”檔案。

3 荷載試驗的思路及內容

根據鋼管混凝土拱橋的結構特點，與其他同類橋型的荷載試驗作為經驗，橋梁荷載試驗時，首先根據橋梁的實際結構建立模型進行計算分析，對橋梁控制截面、控制內力、加載方式確定，然后在結構控制截面進行有針對性地測點布置。最后對加載試驗所得到該測試截面參數與理論檢算值進行對比分析，評定結構實際承載能力和工作性能是否滿足設計及規范要求。下面以鄭州市龐村特大橋為例進行荷載試驗分析。試驗測點布置見圖1，圖2。荷載試驗主要測試拱肋與梁體截面的應力、撓度，各吊桿張力以及橋梁自振特性與動力特性。

3.1 計算分析

在試驗前運用橋梁專用計算軟件MIDAS/Civil對橋梁空間構模，進行橋梁結構空間有限元靜力計算分析，得出全橋的受力情況。

3.2 試驗內容

試驗主要包括:1)靜載試驗。根據鋼管拱橋受力特點綜合考慮結構類型和結構截面，按各截面最不利荷載進行加載。在試驗實施前，對各個試驗工況進行詳細的理論計算，制訂詳細的加載方案，防止結構部位出現超載，確保結構安全。本橋為下承式鋼管混凝土系桿拱橋，其主要傳力路徑是:橋面活載等通過橋面系傳至縱橫梁，再由縱梁的吊桿傳至主拱圈(拱肋)，因此，拱肋、吊桿和縱梁為主要受力構件，荷載試驗主要測試這些構件在荷載作用下的應力和位移等響應和變化。2)動載試驗。動載試驗主要對橋梁自身的動力特性的反映。采用動態信號采集分析儀和三向加速度傳感器收集橋梁頻率、振型、阻尼比以及動撓度、動應力、加速度、沖擊系數等，然后進行分析，綜合了解橋梁動力特性。

4 靜載試驗測試

4.1 加載原則

靜力試驗荷載效率η=Sstat/S×δ應滿足0.85＜η≤1.05，其中，Sstat為試驗荷載作用下某工況最大計算效應值;S為設計標準活荷載不計沖擊作用時產生的某試驗工況的最不利計算效應值;δ為設計計算取用的動力增大系數。

4.2 加載方式

對試驗荷載應分級施加，以測試荷載效應與荷載的變化關系以及防止橋梁結構意外損傷。試驗加載分為4級，荷載逐級增加，達到最大荷載后一次卸載。測試數據時，在保證每一次加載工況穩定的情況下讀取數據，該級荷載階段內結構變位相對穩定后進入下一個荷載階段。對試驗工況中應力水平較高測點采用連續監測，同時對控制斷面撓度測點進行同步連續監測，以觀測結構變位是否達到穩定。

4.3 試驗加載程序

在進行正式加載試驗前，用兩排載重加載車進行橫橋向對稱預加載試驗，為避免梁體局部產生過大應力，兩排車輛后輪間距適當拉開。首先進行預加載，每一加載位置持荷時間不少于20 min。然后預加載卸零，并在結構得到充分的零荷恢復后，再進入正式加載試驗。正式加載試驗按加載級數依次進行。

4.4 試驗過程中安全監測

試驗加載時對重點應力(應變)測點、重點撓度測點及主要受力部位的裂縫進行安全監測，如在試驗過程中發現以下幾種情況中的任一情況，應暫停試驗，分析原因，找出原因后再繼續加載或終止試驗:

1)測得的應力測點和撓度測量點的值有一個值超過規范允許值;2)由于加載，使原有裂縫的長度、寬度急劇增加，新裂縫急劇出現，新出現裂縫寬度超過規范允許值，對橋梁的結構和壽命造成較大影響時;3)發生橋梁其他損壞，影響橋梁承載能力或正常使用時。

5 動載試驗測試

動載試驗分為脈動試驗和行車試驗。

5.1 脈動試驗

脈動試驗是由橋梁結構在風、水流、地脈動等自然荷載下的激振引起橋梁結構振動，在相對封閉的環境(交通封閉、橋梁周圍無規則振源等)下，測定結構自振特性。測試時調節振動傳感器采用中低頻段測量在自然環境下橋梁的響應信號，經過數據和信號的采集分析，可得到橋梁的各階自振頻率和振型值，利用半功率帶寬法確定各階模態阻尼比等橋梁自振特征參數，從而確定橋梁的自身的動力特征。并將實測值與計算值、規范值進行比較和分析，對橋梁的動力特性進行評估。測試的時間選為夜間進行。

5.2 行車試驗

1)跑車試驗:一輛載重汽車(總重約30 t)以多種速度(10 km/h，20 km/h，40 km/h，60 km/h)行駛過試驗跨。測定截面在行車車輛荷載下動力的反應狀況。

2)跳車試驗:一輛30 t試驗汽車在試驗跨的指定位置(跨中等)，啟動、后輪越過一厚8 cm的板條，然后停車。測試橋梁在豎向沖擊荷載作用下的豎向、橫橋向動力響應。

6 結語

1)通過對鋼管混凝土拱橋荷載試驗應變數據分析可知，拱肋的抗壓強度及梁體的抗裂性能是否滿足設計要求。

2)通過對鋼管混凝土拱橋荷載試驗跨撓度數據的分析可知結構剛度是否滿足設計要求，以確定其橋跨結構是否具有較好的剛度。

3)橋梁動力特性的各項指標是否滿足設計要求，反映橋梁動力性能是否正常，同時也可以反映靜測結論是否正常。

任何一座橋梁都要經歷一個生命的周期，對數量眾多且具有橋梁的工作性能進行正確的評價，荷載試驗也就顯得非常重要。

［1］胡釗芳.公路橋梁荷載試驗［M］.北京:人民交通出版社，2003.

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