某系桿拱橋荷載試驗研究

張煒

1 概述

在系桿拱橋檢測中，靜載試驗是評定系桿拱橋力學性的最有效的方法。

2 工程概況

彩虹橋為鋼管混凝土吊桿拱橋，全橋長50.38m，鋼管拱肋計算跨徑為38.88m，矢跨比為1/4.5，拱軸線采用二次拋物線。拱軸橫斷面為雙圓加腹板的啞鈴型斷面，橋面總寬為26.4m，設計荷載為：城-B級車輛荷載，按汽車-20級，掛車-100級校核。

3 結構有限元模型的建立

系桿拱橋是由拱肋、系桿、橫梁及橋面板組成的空間受力體系，系桿拱橋在外荷載作用下，主要受主拱圈軸力和彎矩、系桿及橫梁彎矩及剪力，因此這些是橋梁荷載試驗中的主要控制截面。由于系桿拱橋結構復雜，需要各構件協同作用，因此為有效的分析結構受力，本橋采用Midas Civil空間桿系模型進行結構靜力計算、活載效應計算及相應的加載效率計算。模型共計1237個節點和5387個單元。

4 靜載試驗分析

4.1 測試斷面的確定

為有測試各構件的性能，彩虹橋靜載試驗試驗測試跨、測試截面編號及各控制截面測試內容為橋梁中心截面。

4.2 彩虹橋測點布設

（1）撓度測點：在左側和右側縱梁與橫梁連接處各布置1個撓度測點；在4#中橫梁跨中和四分點位置各布置1個撓度測點。

（2）應變測點：在每個縱梁和橫梁連接位置布置1個應變測點，應變測點為順橋向；4#中橫梁底面布置多個應變測點，并在中間位置處腹板布置4個應變測點，方向垂直于順橋向；在右兩側拱肋在跨中處布置8個應變測點，方向平行于拱軸線方向。應變測點和撓度測點布置如圖1圖2所示。

圖1 中橫梁應變和撓度測點布置示意圖

4.3 加載車輛選擇和荷載試驗效率

4.3.1 加載車輛的選擇

圖2 拱肋應變測點布置示意圖

彩虹橋荷載試驗采用4輛單輛車總荷載為300kN和2輛單輛車總荷載為360kN的三軸重載汽車進行加載。

4.3.2 靜力試驗荷載確定原則

就某一加載試驗項目而言，其所需加載車輛的數量，將根據設計標準活荷載產生的該加載試驗項目對應的控制截面內力最不利效應值，按下式所確定的原則等效換算而得。《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/TJ21-2011）規定：

式中：η——靜力試驗荷載效率；

Sstate——靜載試驗荷載作用下，控制截面內力計算效應值；

S——控制荷載作用下，控制截面最不利內力或變位計算值；

μ——計算取用的沖擊系數。

4.3.3 彩虹試驗荷載效率及加載車輛數

在成橋狀態下，彩虹橋靜荷載試驗的荷載效率在0.965～1.034之間，滿足“評定規程”的規定，詳見如下。

工況一理論計算值1075.7試驗計算值1032.7荷載效率0.96加載車輛4輛；工況二理論計算值85.2試驗計算值90.3荷載效率1.06加載車輛4輛；工況三理論計算值64.3試驗計算值62.0荷載效率0.96加載車輛4輛；工況四理論計算值560.5試驗計算值566.1荷載效率1.01加載車輛2輛。

工況一為縱梁梁最大彎矩、撓度；工況二為吊桿最大軸力；工況三為拱肋最大彎矩；工況四為橫梁最大彎矩和撓度。

4.4 車輛荷載布置

荷載試驗車輛加載要盡可能用最少的加載車輛達到最大的荷載效率，在滿足試驗荷載效率以及能夠達到試驗目的的前提下，加載工況應進行簡化、合并，以盡量減少加載位置；每一加載工況依據某一加載試驗項目為主，兼顧其他加載試驗項目。

4.5 靜載荷載試驗結果

4.5.1 工況一試驗結果

通過對J1截面縱梁最大彎矩和撓度（工況一）加載試驗，J1測試截面縱梁應變測試結果如表1所列；縱梁撓度測試結果如所列，撓度實測值與理論計算值的對比曲線如表2所示。

表1 工況一作用下縱梁應變測試結果分析表（單位：με）

表2 工況一作用下縱梁撓度測試結果分析表（單位：mm）

4.5.2 工況二試驗結果

吊桿索力測試原理是利用吊桿所處環境對吊桿隨機振動，在吊桿上附著著高靈敏度拾振傳感器，拾取吊桿在環境激勵下的振動信號，經過濾波、放大、譜分析。然后根據自振頻率與索力的關系確定實際索力。本試驗索力測試僅測試J1截面吊桿最大陰歷控制荷載作用下的右側3-1#、3-2#、4-1#、4-2#、5-1#、5-2# 索的索力，索力測試結果如表 3 所示。

表3 工況二作用下測試索的索力分析結果表（單位：kN）

4.5.3 工況三試驗結果

通過對J1截面拱肋應變加載試驗（工況三），J1測試截面拱肋應變測試結果分析如表4所列。

表4 工況三作用下拱肋應變測試結果分析表（單位：με）

4.5.4 工況四試驗結果

通過對J1截面橫梁最大撓度加載試驗（工況四），J1測試截面橫梁撓度測試結果分析如所列，滿載作用下撓度實測值與理論計算值對比曲線圖如表5所示。

表5 工況四作用下縱梁撓度測試結果分析表（單位：mm）

4.6 數據分析與評定

結構應變和撓度校驗系數是評定結構工作狀況、確定橋梁承載能力的一個重要指標，其中校驗系數越小，結構的安全儲備越大。試驗橋在試驗加載作用下，各構件撓度校驗系數在0.55～0.70之間，應變校驗系數在0.57～0.76之間，說明滿足正常使用下的橋梁強度要求。

5 結論

通過對該系桿拱橋的結構分析，優化選擇了各試驗工況車輛布載的最優布載方法，以最少的加載車輛滿足荷載試驗加載效率的要求，以最少的加載次數測試完所有試驗工況。本文通過對實測的撓度及應變值與理論計算值的對比分析，確定結構的校驗系數，進而評定該橋梁的工作狀態。靜載試驗是評定系桿拱橋力學性能是否滿足規范和設計要求最有效的方法。