上承式鋼管混凝土桁構式拱橋承載能力分析與評估

秦 雙 朱 坤

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢 430052)

鋼管混凝土桁構式拱橋是鋼-混組合結構，主拱肋內填混凝土增加鋼管壁的穩定性，鋼管對混凝土形成套箍作用，混凝土處于三向受壓狀態，充分發揮其抗壓強度。而且跨徑大、形式優美、結構輕、受力合理[1]。

由于鋼管混凝土桁構式拱橋結構形式較為復雜，在周期性活荷載和自然環境作用下，橋梁實際承載能力可能有所降低，影響橋梁結構正常使用性能，因此對既有鋼管混凝土桁構式拱橋承載能力進行分析與評估至關重要，同時也可為橋梁日常養護管理工作提供依據。

本文以某既有上承式鋼管混凝土桁構式拱橋為研究對象，通過最直接有效的靜載試驗和動載試驗，分析橋梁結構的實際承載能力能否滿足設計荷載等級要求，評估橋梁運營與使用是否處于安全狀態[2]。為研究同類型橋梁結構提供一定的參考與借鑒。

1 工程概況

該橋為變截面上承式鋼管混凝土桁構式拱橋，主孔凈跨徑260 m，腹孔跨徑組合為7×20 m+7×20 m。主橋橋寬11 m，全長280 m。矢跨比為1/5，矢高52 m，拱軸系數m=1.756。

拱肋為變高等寬的鋼管混凝土桁構，主拱肋設橫撐以加強其共同受力。弦管采用直徑1 020 mm×壁厚14 mm鋼管(Q345)內灌C50混凝土；腹桿有豎直腹桿和斜腹桿，2種均采用直徑426 mm×壁厚10 mm鋼管(Q345)，僅在拱腳與鉸連接處的兩斜腹桿內灌C50混凝土，其余腹桿均不灌混凝土，平聯桿采用直徑426 mm×壁厚10 mm鋼管，管內均不灌混凝土，拱肋間橫向聯系及肋內剪刀撐采用直徑180 mm×壁厚6 mm鋼管。拱上建筑均為20 m跨度先簡支后結構連續預應力混凝土空心板，主橋為鋼筋混凝土拱座。拱上立柱采用鋼管混凝土排架。豎向主管采用直徑426 mm×壁厚10 mm鋼管，內灌C50混凝土，主管間縱橫向平聯管采用直徑180 mm×壁厚6 mm鋼管，其內不灌混凝土。

拱橋橋型布置見圖1。

圖1 拱橋橋型布置圖(單位：cm)

2 理論計算分析

2.1 有限元模型

基于midas Civil分析軟件，結合上承式鋼管混凝土桁構式拱橋的結構特點，采用梁單元和板單元進行建模[3]，全橋共計5 851個節點，9 954個梁單元，3 096個板單元。其邊界條件及計算荷載選取如下。

1) 邊界條件。主拱肋兩拱腳采用固結連接，主橋兩端空心板采用鉸接連接，空心板與拱上蓋梁采用彈性連接，空心板之間采用虛擬橫向聯系連接。

2) 計算荷載。混凝土容重取26 kN/m3，鋼構件容重取78.5 kN/m3；二期荷載換算成均布荷載施加在梁單元上，計算結構頻率時需將二期荷載轉換為結構自重；汽車荷載為汽車-20級，掛車-100級，人群荷載為3.5 kN/m2，設計車速為20 km/h。

拱橋空間有限元模型見圖2。

圖2 拱橋空間有限元模型

2.2 靜載試驗方案

1) 試驗工況。根據該橋的結構受力特點，選擇主要控制截面(拱頂和拱腳)作為研究對象，以中載方式進行加載。

工況一：拱頂最大正彎矩及撓度工況。

工況二：拱腳最大負彎矩工況。

2) 靜載試驗效率。本次加載采用彎矩等效原則，試驗選用3軸后8輪350 kN加載車輛(前軸重約70 kN，中后軸重均約140 kN)，靜力試驗荷載效率宜在0.95～1.05之間，控制截面靜力試驗荷載效率見表1。

表1 控制截面靜力試驗荷載效率表

注：工況一采用10輛、工況二采用8輛3軸后8輪350 kN加載車；主拱肋弦桿受壓為負，受拉為正；撓度向下為負，向上為正。

3) 應變、撓度測點布設

①在鋼管拱的拱腳、拱頂布置應變測點，上下弦桿布設8個測點(S1～S8)、豎腹桿布設4個測點(F1～F4)、斜腹桿布設4個測點(X1～X4)，每個控制截面設16個測點，共計32個測點，應變測點均布置在鋼管拱表面。主橋拱腳、拱頂控制截面測點布置見圖3。

圖3 主橋拱頂、拱腳控制截面測點布置

②依據規范要求，在距人行道10 cm處布置撓度測點，每側8個，共計16個測點，采用精密水準儀進行測試。主橋撓度測點布置見圖4。

圖4 主橋撓度測點布置(單位：cm)

2.3 動載試驗方案

1) 自振特性分析。基于有限元模型，對橋梁進行特征值分析[4-5]，理論頻率及振型見圖5。

圖5 理論振型

2) 脈動試驗測點布設。根據自振特性理論分析，每個主拱肋布設7個測點，共計14個測點。主橋脈動試驗測點布置見圖6。

圖6 主橋脈動試驗測點布置(單位：cm)

根據橋梁的計算振型特性，采集各測試點振動響應信號。每次采集約30 min。

3) 跑車試驗測點布設。主橋跨中主拱肋布置1個動撓度測點。主橋動撓度測點布置見圖7。

圖7 主橋動撓度測點布置(單位：cm)

3 荷載試驗結果分析

3.1 靜載試驗

1) 工況一。在最大荷載作用下，拱頂截面弦桿測點S6、豎腹桿測點F4、斜腹桿測點X4應變結果見表2。

表2 拱頂截面測點應變結果表

在最大荷載作用下，拱頂截面測點A，B的實測彈性撓度分別為-20.0 mm，-19.0 mm，對相應的校驗系數分別為0.887，0.843，相對殘余分別為5.2%，4.5%。工況一最大荷載作用下橋梁豎向撓度見圖8。

圖8 最大荷載作用下橋梁豎向撓度

2) 工況二。在最大荷載作用下，拱腳截面弦桿測點S1、豎腹桿測點F1、斜腹桿測點X2應變結果見表3。

表3 拱腳截面應測點變結果表

由以上圖表可知：

1) 主要應變測點校驗系數為0.500～0.966，主要撓度測點校驗系數為0.843～0.887，相對殘余均不大于20%，在合理范圍內[6-7]。

2) 基于該橋結構的特殊性(鋼-混組合結構)，主要測點的校驗系數與規范[8]是相符合的。

3.2 動載試驗

1) 脈動試驗。根據理論振型，選取合適的參考點，采用江蘇東華無線橋梁模態測試分析系統DH5907N，得到該橋的模態參數見表4，實測振型見9。

表4 實測模態參數與理論值對比表

圖9 實測振型

由以上圖表可知，該橋實測各階豎向彎曲頻率和橫向彎曲頻率與理論頻率基本相符，實測振型與理論振型基本一致，實測阻尼比為2.49%～4.67%，說明實測數據能夠很好地反映橋梁的振動且無明顯缺陷，結構整體動剛度滿足規范要求。

2) 跑車試驗。采用光電撓度儀進行測試，測試時采用1輛350 kN的載重汽車，分別以10，15，20 km/h的車速勻速駛過橋梁，每一車速下行駛3次。跑車試驗測試結果見表5。

表5 跑車試驗測試結果表

由表5可見，各車速下實測動力增大系數為1.039～1.074，沖擊系數為0.039～0.074，最大沖擊系數為0.074，略大于理論沖擊系數0.050。

4 結論

1) 該橋主要應變、撓度校驗系數，相對殘余均在合理范圍內。基于該橋為鋼-混組合結構，主要測點的校驗系數介于鋼筋混凝土拱橋與鋼橋之間。

2) 該橋為上承式鋼-混桁構式拱橋，屬于高次超靜定無鉸拱，自振特性理論分析與實測結果較為吻合，且由低階橫、豎向彎曲頻率和振型分析可知，結構自振特性能夠反映橋梁的橫向穩定性。

3) 該橋實測最大沖擊系數略大于理論沖擊系數，這與橋面鋪裝的不平度、粗糙度有關，為研究沖擊系數提供一個方向。

4) 基于現場荷載試驗，可以很好地掌握該橋的結構受力特性，以分析與評估其承載能力，為該橋日常養護提供依據，對研究運營狀態下同類型橋梁結構的承載能力具有一定參考與借鑒價值。