提籃式系桿拱橋承載能力評定研究

李 燦

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

提籃拱橋不是橋梁形式的定義，而是把系桿拱橋中主拱圈橫向內傾，并以橫梁連接橋身，側面酷似提籃提手的下承式拱橋的稱呼。其特點是拱的矢高很大，可以有效地利用拱的特性向基礎分散拱的內力，主體基本上不承受彎矩和剪力[1]。從受力上劃分，可以分為3種：主拱圈獨立受力、主拱圈與梁共同受力、主拱圈為裝飾不參與主梁受力。

1 工程概況

該橋主橋為（25+86+25）m中承式鋼管混凝土系桿拱橋結構，主墩采用拱座接承臺式墩。橋梁設計荷載等級公路Ⅰ級，橋面凈寬為12 m。為增加橋梁整體穩定性，有利于橋梁結構抗震，主拱肋向橋軸中心線傾斜10°，而成“提籃式”拱。

主拱圈投影面的計算矢高為21.5 m，邊拱拱肋的計算跨徑為49.96 m，計算正投影面的計算矢高為6.5 m，主、邊拱肋均向橋面中心線處傾斜10°；主拱、邊拱拱軸線均采用二次拋物線；拱肋截面均為蠶繭型，拱頂處拱肋高為1.6 m漸變至拱腳高度為2.6 m，壁厚δ=16 mm的鋼管和鋼腹板焊接組成，內灌C50微膨脹混凝土。主拱拱肋設置5道工型鋼橫撐。

橋面吊桿OVM.GJ15-17鋼絞線成品索，吊桿與吊桿之間距離為5 m；在靠近拱腳附近的2根吊索下端設置弧形鉸，以減小吊索附加內力。吊索上下導管口均設置一個防振圈，吊索頂部蓋板為焊接。

圖1 主橋立面布置圖

圖2 主橋跨中斷面圖

2 結構評測

在進行建模分析前先要對橋跨結構的外觀進行檢測，以便對主拱、主梁及吊桿等構件的工作狀況有一個初步的掌握。接下來根據檢測所得信息對橋跨結構進行整體性評價。外觀檢測主要內容包括：線性測量，主要是主橋面的高程；結構的各種部件的幾何尺寸和主要部件的尺寸細節；結構表面損傷和結構變形。

本文中主橋標高線形測量選擇精密水準儀進行，進而分析出橋面鋪裝的縱向線形。橋面線形測量控制點布置情況見圖3。

圖3 橋面線性測量測點布置圖

橋面線形測量結果如表1所示。

表1 橋面線形測量結果分析表 cm

圖4 橋梁縱斷面線形圖

由表1及圖4可以看出，大橋施工完成后橋面縱向線性順直，橋面各個控制點標高與設計吻合很好。每個測量點的測量值和設計值之間的絕對差值為4.94 cm（右測量點7），橋面板的縱向線形狀很好。由圖4可以看出，無論左側還是右側，在3號、7號點（約L/4）高程實測值與設計值偏差相對較大（約5 cm左右）。

3 受力分析

檢查橋梁后，根據檢查結果在主橋上進行加載試驗，加載效應控制內力或撓度一般為最不利活載產生內力或撓度。加載后測量相應應力和撓度，對結果進行對比分析，確定橋梁應力狀態，進而評估橋跨結構的承載能力。靜載試驗基于荷載效應相等的原則，測量結構加載后的反應，如應力、撓度等。根據測量數據判斷結構承載水平。在結構震動形態中可測得橋梁動力特性及外力動荷載下的響應。

3.1 建立模型

目前，混凝土填充鋼管的材料特性主要有兩種不同的處理方法。第一種是將混凝土填充的鋼管拱肋轉換成相同的材料：或者是鋼，或者是混凝土。對于混凝土的套箍效應，一些設計單位采用提高混凝土等級的方法來考慮提高強度；二是將混凝土填充鋼管作為新材料，彈性模量取綜合彈性模量。這種選用方式是將混凝土與外層套箍鋼管等量成一種材料。

本文在建模計算時采用第一種是將混凝土填充的鋼管拱肋轉換成相同的材料。理由如下：外層套箍鋼管處于彈性狀態時，泊松比保持較為恒定，一般在0.25和0.30的范圍之間。而拱肋中混凝土材料的泊松比則是隨著應力變化而發生變化的，一般在應力增大時從0.167變為0.5，在超過混凝土抗壓極限后，泊松比甚至可以大于0.5。這也就意味著鋼管混凝土拱肋不是一種典型的復合材料[2]。本次使用Madis Civil建模進行計算。

圖5 計算模型

3.2 試驗內力分析

本橋靜載試驗荷載效率見表2：工況一～工況七分別為主拱跨中斷面中載最大正彎矩、主拱跨中斷面偏載最大正彎矩、1/4主拱位置最大正彎矩中載、1/4主拱位置最大正彎矩偏載、主拱起拱線最不利負彎矩中載、主拱起拱線最不利負彎矩偏載、邊跨跨中最不利負彎矩。

表2 主橋各工況靜載加載效率表

3.2.1 吊桿索力分析

表3 主橋系桿撓度工況分級加載實測數據分析表

從表3中數值可以看出主橋系桿撓度校驗系數均在0.61～0.98之間，系桿在承受荷載時有足夠剛度，說明其滿足設計要求。

3.2.2 吊桿索力

表4 實測吊桿索力數據分析表

從表4中數值可以看出，實際測量所得的吊桿索力與吊桿設計索力數值吻合較好。由于短吊桿邊界條件的不確定性以及測量難度的加大，使得所測索力與理論索力有一定的出入，故測試數據沒有可用性[3]。綜上說明索力控制較好。

3.2.3 模態及振型

本橋動載試驗理論計算，計算結果如表5所示。

表5 主梁前5階自振頻率

圖6 主橋1階振型圖（橫向）

圖7 主橋2階振型圖（豎向）

圖8 主橋3階振型圖（橫向）

圖9 主橋4階振型圖（豎向）

圖10 主橋5階振型圖（橫向）

由圖6～圖10可知主橋模態表現為主拱整體橫向震動，1階振型為結構受外荷載最容易激發的震動形式，故在吊桿索力較大或者超張拉的情況下，拱肋可能存在失穩的風險；2階振型為橋面豎向彎曲，車輛荷載的沖擊會加劇此種振型的幅值；5階振型為橋面的橫向彎曲，此振型發生在橫向荷載作用下，一般為橫向風荷載作用下，但此階振型需要能量較高不容易激發。

4 結論

通過以上計算分析及現場實測數據可得以下結論：

a）索力測試應引起重視，在提籃式系桿拱橋中吊桿平面與橋平面不垂直，會在橫梁中產生橫向內力，且索力超張拉后極易引起橋梁失穩。

b）鋼管混凝土拱肋中混凝土填充存在不密實脫空等現象，合理確定主拱肋內力布設試驗荷載的大小。

c）在進行振型與頻率分析時，拱橋與梁式橋不同，震動基頻并不能直接反應結構的剛度。