某鋼管混凝土系桿拱橋靜動載試驗研究

周 潔

（石家莊道橋管理處橋涵管理所，河北 石家莊 0500060）

0 引 言

隨著我國交通事業(yè)的不斷發(fā)展，鋼管混凝土系桿拱橋以其強度高、跨越能力大以及受力形式合理的優(yōu)勢，在土木工程中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。

由于鋼管混凝土系桿拱橋的受力形式復(fù)雜，基于現(xiàn)有檢測規(guī)范對其承載能力評定偏于保守，導(dǎo)致其安全儲備過高，造成經(jīng)濟的損失和浪費。因此，合理評定鋼管混凝土系桿拱橋的真實受力性能具有重要意義。

國外關(guān)于鋼管混凝土系桿拱橋理論從形成到發(fā)展已有上百年的歷史，并制定了一系列設(shè)計規(guī)程，如歐洲的 EC4（1996）和日本的 AIJ（1980，1997），但現(xiàn)階段，國外關(guān)于鋼管混凝土系桿拱橋的檢測規(guī)程研究相對落后于設(shè)計規(guī)程。

國內(nèi)關(guān)于鋼管混凝土系桿拱橋的設(shè)計規(guī)程相對完善，但關(guān)于鋼管混凝土系桿拱橋檢測規(guī)程的評定理論及評定方法尚需進一步討論。雖然鋼管結(jié)構(gòu)的制造及核心混凝土的澆灌分別符合現(xiàn)行的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50017-2017）和《混凝土設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2010）的有關(guān)規(guī)定，但并未過多考慮鋼管和混凝土共同受力的特殊性，對該問題的研究仍是國內(nèi)外橋梁界的熱點問題。

本文靜動載試驗分析以某鋼管混凝土系桿拱橋為研究對象，獲得鋼管混凝土系桿拱橋在動靜載作用下控制截面的反應(yīng)實測值，并與鋼管混凝土系桿拱橋的有限元模型的理論值進行對比分析，對結(jié)構(gòu)剛度、強度、穩(wěn)定性、行車性能以及動力特性做出評定[2]。

1 工程概況

石家莊南二環(huán)西延跨南水北調(diào)干渠高架橋，主橋位于直線段，跨越南水北調(diào)干渠，主橋標準斷面寬度：1.2 m（系梁）+0.625 m（護欄、防落 網(wǎng)）+12.25 m（主車道）+0.625 m（護欄、防落網(wǎng)）+1.2 m（系梁）+1.1 m（肋間縫）+1.2 m（系梁）+0.625 m（護欄、防落網(wǎng)）+12.25 m（主車道）+0.625 m（護欄、防落網(wǎng)）+1.2 m（系梁）[3]。其中，上部結(jié)構(gòu)的拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，系梁采用箱形斷面，吊桿采用帶球鉸的OVMLZM7-85型吊桿。系梁和橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。拱肋、風(fēng)撐鋼管采用Q345qD鋼板卷，系梁、橫梁采用C50混凝土，空心板采用C40混凝土。設(shè)計荷載：城—A級。

試驗孔跨的系桿拱橋立面及跨中橫斷面示意圖如圖1所示。

2 靜載試驗

2.1 建立有限元模型

采用橋梁結(jié)構(gòu)專用程序MIDAS CIVIL建立鋼管混凝土系桿拱橋的有限元模型，其中橋面板和拱肋用一般梁單元模擬，吊桿用桁架單元模擬[4]。該橋結(jié)構(gòu)計算模型及設(shè)計荷載效應(yīng)包絡(luò)圖如圖2所示。

2.2 測點布置

鋼管混凝土系桿拱橋進行靜載試驗，主要測試截面包括試驗孔跨拱腳處截面、四分點處截面及跨中截面的撓度和應(yīng)變[5]。主要測試截面位置如圖3所示。

圖1 系桿拱橋的立面及跨中橫斷面示意圖

圖2 系桿拱橋的模型圖及設(shè)計荷載效應(yīng)包絡(luò)圖

當結(jié)構(gòu)在最不利的荷載作用下時，通過對控制截面內(nèi)的應(yīng)變測定可以考核其強度是否滿足使用要求[6]。該次控制截面應(yīng)變測試采用振弦式應(yīng)變計，搭配智能綜合測試儀。試驗孔主要測試截面的應(yīng)變測點布置斷面示意圖如圖4（a）所示。

考慮到該橋的結(jié)構(gòu)特點及測試工況，該次靜載試驗，各撓度測點均布置于拱肋底和梁底。試驗孔主要測試截面的撓度測點布置斷面示意圖如圖4（b）所示。

圖4 主要測試截面的測點布置圖

2.3 試驗荷載工況

考慮到現(xiàn)場加載設(shè)備，靜力試驗荷載共采用6輛單輛約320 kN的三軸載重汽車充當。鋼管混凝土系桿拱橋的靜載試驗內(nèi)容如下：

（1）工況1：檢驗A-A截面在最不利活載作用下的最大正彎矩，試驗荷載采用橫向偏心荷載。

（2）工況2：檢驗B-B截面在最不利活載作用下的最大正彎矩，試驗荷載采用橫向偏心荷載。

（3）工況3：檢驗C-C截面在最不利活載作用下的最大正彎矩，試驗荷載采用橫向偏心荷載。

2.4 靜力試驗荷載效率

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）的規(guī)定，并結(jié)合本項目實際情況，本次試驗以設(shè)計彎矩作為控制彎矩。在試驗荷載作用下，各工況試驗荷載效率系數(shù)如表1所示。

表1 試驗荷載效率

2.5 試驗結(jié)果與分析

靜載試驗主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)對結(jié)構(gòu)工作狀況進行評定。該次靜載試驗各工況的撓度、應(yīng)變測試結(jié)果如下。

（1）應(yīng)變測試結(jié)果與分析

該橋試驗孔在不同加載工況下，主要測點應(yīng)變校驗系數(shù)如表2所示。系桿拱橋分別在工況2和工況3荷載作用下，主要測試截面的應(yīng)變實測值與理論值的對比曲線圖如圖5所示。

圖5 主要測試截面的應(yīng)變實測值與理論值對比曲線圖

由表2可知，系桿拱橋在不同荷載工況作用下，各測點應(yīng)變校驗系數(shù)均小于規(guī)范允許值1.0，說明其結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

（2）撓度測試結(jié)果與分析

該橋試驗孔在不同加載工況下，主要測點撓度校驗系數(shù)如表3所示。系桿拱橋分別在工況2和工況3荷載作用下，主要測試截面的撓度實測值與理論值的對比曲線圖如圖6所示。

表2 應(yīng)變校驗系數(shù)表

圖6 主要測試截面的撓度實測值與理論值對比曲線圖

由表3可知，系桿拱橋在不同加載工況下，各測點撓度校驗系數(shù)均小于規(guī)范允許值1.0，說明其結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計要求。

（3）索力測試結(jié)果與分析

該橋試驗孔在工況3荷載作用下，主要吊桿索力校驗系數(shù)如表4所示，主要吊桿索力的實測值與理論值的對比曲線圖如圖7所示[7]。

表3 撓度校驗系數(shù)表

表4 索力校驗系數(shù)表

圖7 工況3主要吊桿索力的實測值與理論值的對比曲線

由表4可知，系桿拱橋在荷載工況3作用下，索力校驗系數(shù)均小于1.0，說明其結(jié)構(gòu)內(nèi)力及索力調(diào)整與設(shè)計相符。

3 動載試驗及結(jié)構(gòu)模態(tài)測試

3.1 動載試驗

動力響應(yīng)是橋梁力學(xué)響應(yīng)里一個重要的特性指標。動力荷載試驗的目的就是通過測定特定部位在動荷載作用下的橋梁變形或應(yīng)力的變化規(guī)律，評定車輛對橋梁的沖擊作用，為日后的橋梁運營及養(yǎng)護管理提供建議。

（1）測點布置

系桿拱橋動載試驗的測點布置在系梁跨中底部位置。

（2）試驗荷載工況

在各種不同的行車條件下，測量試驗孔跨中斷面動應(yīng)變測點的動應(yīng)變曲線。本次測試取1輛32 t車輛按照 10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h的速度進行跑車試驗，每個速度工況重復(fù)2次。

（3）試驗結(jié)果與分析

動應(yīng)變是反映橋梁動剛度特性的一個物理量，經(jīng)處理分析后得出的沖擊系數(shù)能綜合地反映動荷載對橋梁的作用[8]。沖擊系數(shù)的實測值與理論值的對比曲線圖如圖8所示。

圖8 沖擊系數(shù)的實測值與理論值的對比曲線圖

由圖8可知：實測沖擊系數(shù)均小于理論計算值，說明橋面平順，行車性能滿足要求。

3.2 結(jié)構(gòu)模態(tài)測試

結(jié)構(gòu)模態(tài)與其剛度、質(zhì)量分布及約束情況有關(guān)，它是從整體上表征橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的一個量。為從整體上把握鋼管混凝土系桿拱橋的運營狀態(tài)，對其進行結(jié)構(gòu)模態(tài)的檢測，并將檢試結(jié)果與有限元模擬結(jié)果進行對比分析。

（1）測點布置

為測試系桿拱橋的動力特性，在系梁1/6跨、1/4跨、1/2跨、3/4跨、5/6跨兩側(cè)各布置一個拾振器。

（2）試驗結(jié)果及分析

為保證結(jié)構(gòu)模態(tài)結(jié)果分析的正確性，本次試驗借助橋梁結(jié)構(gòu)專用程序MIDAS CIVIL建立鋼管混凝土系桿拱橋的有限元模型，對系桿拱橋進行結(jié)構(gòu)計算分析。結(jié)構(gòu)模型一階振型圖如圖9（a）所示，結(jié)構(gòu)一階振型理論計算結(jié)果如表5所示，實測結(jié)構(gòu)一階振型如圖9（b）所示，結(jié)構(gòu)實測頻譜如圖9（c）所示。

圖9 系桿拱橋的一階振型圖及實測頻譜圖

由表5可知：系桿拱橋計算基頻為0.76 Hz，而實測基頻為0.97 Hz，說明系桿拱橋的動剛度大于設(shè)計值，具有較好的動力特性。

5 結(jié)論

通過對某鋼管混凝土系桿拱橋靜動載試驗研究，可以得出以下結(jié)論：

表5 系桿拱橋結(jié)構(gòu)模態(tài)理論計算結(jié)果

（1）在靜荷載作用下，各測點撓度校驗系數(shù)最大為0.71，應(yīng)變校驗系數(shù)最大為0.80，均小于規(guī)范規(guī)定的限值1.0，說明結(jié)構(gòu)剛度和強度均滿足設(shè)計要求。

（2）在動荷載作用下，實測沖擊系數(shù)小于理論沖擊系數(shù)，說明該結(jié)構(gòu)的行車性能良好；同時，系桿拱的計算基頻為0.76 Hz，實測基頻為0.97 Hz，說明系桿拱橋的動剛度大于設(shè)計值，具有良好的動力特性。