下承式拱梁組合結構橋梁荷載試驗研究分析

陳 勇

(福州市建筑科學研究所 福建福州 350005)

0 引言

鋼管混凝土拱橋主要結構體系根據車承形式與是否有推力可分為(有推力)上承式拱、(有推力)中承式拱、(部分推力)中承式剛架系桿拱、(部分推力)下承式剛架系桿拱和(無推力)下承式拱梁組合結構，其中下承式拱梁組合結構在市政橋梁工程中應用最多[1]。在市政橋梁工程的發展中，荷載試驗起到了重要的作用。大量的試驗研究成為促進市政橋梁結構設計計算理論、設計方法不斷發展的重要因素之一。本文對福州某下承式拱梁組合結構橋梁進行荷載試驗，了解在與設計荷載基本相當的試驗荷載作用下鋼管混凝土拱橋的受力狀態，評定鋼管混凝土拱橋結構的承載能力和使用條件，檢驗設計與施工質量，同時為下承式拱梁組合結構等類似橋梁的設計及荷載試驗提供參考。

1 工程概況

某下承式拱梁組合結構橋梁位于福州市文博路，橫跨晉安河，設計長度為51m，設計寬度為19m。橋臺采用鋼筋混凝土結構，基礎采用鉆孔灌注樁。該拱橋總體布置如圖1所示。

圖1 拱橋總體布置圖(單位：mm)

2 有限元分析

為了確定拱橋控制截面的位置，采用Midas/civil橋梁結構通用有限元分析與設計軟件對該拱橋進行有限元分析并建立計算模型。模型中拱肋、系桿均采用梁單元模擬；吊桿采用只受拉的桁架單元模擬，具體模型如圖2所示。模型中原點O設置于某一拱腳處，該處支座設定為固定支座(同時約束橫橋向支座的X方向和縱橋向支座的Y方向)，其余支座設定為活動支座；拱肋和系桿采用固結連接。

圖2 有限元分析模型

3 靜力特性分析

3.1 靜載試驗工況

表1 載重汽車技術指標及軸重明細

圖3 工況一載重汽車加載位置圖(單位：cm)

圖4 工況二載重汽車加載位置圖(單位：cm)

圖5 工況三、工況四載重汽車加載位置意圖(單位：cm)

3.2 靜載測點布置

3.2.1變形測點

變形測試主要包括鋼箱梁1個測試截面和拱肋1個測試截面，如圖1中D截面和A截面。鋼箱梁、拱肋變形采用精密水準儀和百分表進行測試，撓度測點分別布置在鋼箱梁跨中截面處的橋面板上和拱肋拱頂位置，對稱兩側各2個測點，具體位置如圖6～圖7所示。

圖6 鋼箱梁跨中截面撓度測點位置圖(單位：cm)

圖7 拱肋拱頂截面撓度測點位置圖(單位：cm)

3.2.2應變測點

依據計算結果，應變測試主要包括鋼箱梁的跨中截面和拱肋的拱頂、L/4、拱腳截面，如圖1中D截面和A截面、B截面、C截面，共18個測點，測點位置如圖8～圖9所示。

圖8 鋼箱梁跨中截面應變測點位置圖(單位：cm)

a)拱頂 b)L/4 c)拱腳

3.2.3索力測點

索力增量測試包括圖1中1#～9#吊桿，對稱兩側共18個吊桿。在拱橋各吊桿上安裝加速度傳感器，采用索力測試儀進行量測。

3.3 靜載試驗結果分析

3.3.1變形數據分析

工況1～工況3下靜載測試截面各測點的撓度數據詳見表2～表4。由表2～表4中數據可知，工況一～工況三下靜載測試截面各測點的撓度實測值均小于理論計算值，校驗系數均小于1.0，最大撓度實測值為8.01mm，相應的撓跨比為1/6367，小于規范規定的限值1/800[8]，表明拱橋剛度達到設計要求。相對殘余撓度均小于20%，滿足規范限值要求[2]，表明拱橋結構工作狀態處于彈性階段。

表2 工況一測點撓度 m

表3 工況二測點撓度 m

表4 工況三測點撓度 mm

3.3.2應變數據分析

工況一～工況四下靜載測試截面各測點的應變數據詳見表5～表8。由表5～表8中數據可知，工況一～工況四下靜載測試截面各測點的應變實測值均小于理論計算值，校驗系數均小于1.0，最大應變實測絕對值為106με，遠小于鋼材(Q345)的屈服應變1311με，表明拱橋剛度達到設計要求。相對殘余應變均小于20%，滿足規范限值要求[2]，表明拱橋結構工作狀態處于彈性階段。

表5 工況一測點應變 μ

表6 工況二測點應變 μ

表7 工況三測點應變 μ

表8 工況四測點應變 με

3.3.3索力數據分析

工況二下左右側各吊桿的索力增量數據詳見表9。由表9中數據可知，工況二下左右側3#、4#、6#、7#各吊桿的索力增量實測值均小于理論計算值，校驗系數均小于1.0，表明吊桿強度滿足設計要求。

表9 工況二吊桿索力增量 kN

4 自振特性分析

拱橋采用脈動法測試自振特性，測點布置在拱橋鋼箱梁的L/4、L/2、3L/4截面和拱肋的2個拱腳、L/4、拱頂、3L/4截面處，拱橋的豎向一階自振頻率實測值為4.79Hz，大于相應理論計算值3.86Hz，實測豎向第一階振型圖如圖10所示。自振特性試驗結果表明，該拱橋實際成橋整體剛度滿足設計要求。

圖10 實測豎向第一階振型圖

5 吊桿受力分析

吊桿是下承式拱梁組合結構橋梁的主要組成部分，其工作狀態能反映出拱橋是否安全。通過對下承式拱梁組合結構橋梁內吊桿結構進行數值分析，可得恒載、活載作用下各吊桿的索力變化曲線如圖11所示。由圖11可知，恒載作用下拱橋吊桿左右側的索力變化一致且呈對稱分布；而活載作用下拱橋吊桿左右側的索力變化差異相對明顯，但兩側吊桿的索力由于最不利荷載的布置差別較小，整體上仍呈對稱分布；在恒載或活載作用下各吊桿均處于受拉狀態，其中吊桿索力受恒載影響比活載較大。

(a)恒載作用

(b)活載作用

6 結論

(1)靜載下拱橋的測試截面撓度、應變的校驗系數均小于1.0，表明拱橋強度、剛度達到設計城-A級的安全使用要求，施工控制水平較高；拱橋的測試截面相對殘余撓度、相對殘余應變均小于20%，表明拱橋結構工作狀態處于彈性階段；拱橋的左右側各吊桿索力增量的校驗系數均小于1.0，表明拱橋各吊桿強度滿足設計城-A級的安全使用要求。

(2)空載下拱橋的豎向振動基頻實測值為4.79Hz，大于相應的理論計算值3.86Hz，表明拱橋實際成橋整體結構性能良好。

(3)活載下吊桿的索力變化明顯小于恒載；恒、活載下拱橋左右側吊桿的索力變化基本一致，呈“M型”對稱分布，且各吊桿均處于受拉狀態；布置于吊桿結構內的預應力鋼束能有效改善吊桿受力狀態，但拱橋長期使用過程中鋼束的預存力會逐漸減少，因此運營過程中可以通過增加吊桿增強拱橋承載力。

通過理論計算和現場試驗結果分析,下承式拱梁組合結構橋梁可應用于市政橋梁工程, 能達到設計強度及變形能力的要求, 但運營過程中需加強吊桿索力監控。

通過在下承式拱梁組合結構橋梁結構上施加與設計荷載基本相當的試驗荷載，了解鋼管混凝土拱橋結構的受力狀態，評定鋼管混凝土拱橋結構的承載能力和使用條件，檢驗設計與施工質量，同時為下承式拱梁組合結構等類似橋梁的設計及荷載試驗提供參考。