鋼管混凝土拱橋的荷載試驗研究

門廣鑫

（遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015）

1 工程概況

某橋梁全長629.348m，由主橋和兩側引橋組成。主橋為三孔中承式鋼管混凝土拱橋，跨徑組合為127m+147m+127m。鋼管混凝土主拱圈的拱軸線為等截面懸鏈線，拱軸系數為1.347，矢跨比1／4（主孔）和1／4.5（邊孔），凈矢高35m（主孔）和26.667m（邊孔）。該橋設計車速60km／h，設計荷載等級為城—B級。全橋立面布置和主橋橫斷面見圖1、圖2。

2 橋梁荷載試驗的內容

該橋梁主橋為鋼管混凝土拱橋，屬于城市I類養護橋梁，依據《城市橋梁養護技術標準》（CJJ 99-2017）每隔7年需進行荷載試驗，并通過荷載試驗達到以下目的：

（1）對橋梁結構進行靜載試驗：測試試驗橋孔關鍵截面的應變、位移，評估各參數的校驗系數，確定橋梁的實際承載能力；

（2）對橋梁結構進行動載試驗：測試分析試驗橋孔的振型、固有頻率、沖擊系數等，評價橋梁的動力響應性能。

3 橋梁靜載試驗及結果

3.1 模型建立

針對該橋第3孔～第5孔的鋼管混凝土拱橋（主橋部分）進行靜載試驗，利用空間有限元軟件Midas Civil對主橋進行建模分析，其中主拱圈、吊桿橫梁采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元，全橋共劃分為2390個節點，3925個梁單元，118個桁架單元，有限元模型見圖3。

3.2 靜載試驗工況

對橋梁進行有限元數值分析，計算結構在設計荷載作用下的受力情況，結合《公路橋梁荷載試驗規程》JTG／T J21-01-2015中無鉸拱橋測試的主要、附加工況確定該橋的試驗工況及各測試控制截面，具體見表1。

表1 各試驗工況及控制截面匯總表

3.3 靜載試驗的測點布置

（1）位移測點布置：主橋共布置24個位移測點。其中拱圈截面布置16個位移測點，拱腳截面布置8個位移測點。主拱圈及拱腳位移測點布置示意見圖4、圖5。

（2）應變測點布置：根據工況設計，在主橋的測試斷面上共布置70個應變測點。其中主拱圈截面布置40個應變測點，拱腳截面布置24個應變測點，吊桿截面布置6個應變測點。主拱圈及拱腳應變測點布置示意圖見圖6、圖7。

3.4 橋梁靜載試驗的荷載效率

在靜載試驗過程中根據設計活載所產生的結構內力值，采用雙后軸加載車及配重作為試驗荷載進行等代。《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG／T J21-01-2015）中規定，靜載試驗荷載效率，對舊橋荷載試驗宜介于0.95～1.05之間，各測試工況荷載效率值見表2，具體計算公式如下：

式中：ηq—靜力試驗荷載效率；

SS—靜載試驗荷載作用下，某一加載試驗工況對應的加載控制截面內力、應力或變位的最大計算效應值；

S′—控制荷載產生的同一加載控制截面內力或位移的最不利效應計算值；

μ—按規范取用的沖擊系數值。

表2 各測試工況荷載效率

3.5 試驗荷載車輛

該橋設計荷載為城—B級，經計算分析，靜載試驗采用12輛總重為364kN（前軸：84kN，雙后軸：280kN）的加載車作為等代荷載，加載車示意見圖8。

3.6 靜載試驗結果

3.6.1 位移測試結果

通過主拱圈截面最大正彎矩工況下位移測點的實測值與理論值的比較，得到以下結果：

（1）在各試驗工況下，各位移測點的變形一致性良好，校驗系數在0.49～0.97之間，均小于1.00，實測值與理論計算值吻合較好，說明主梁具有良好的整體剛度，結構受力合理，符合設計要求。

（2）各加載工況，卸載后相對殘余變形均小于20%，說明結構整體變形處于彈性狀態。

3.6.2 應變測試結果

通過主拱圈截面最大正彎矩工況、拱腳最大負彎矩工況及吊桿最大索力工況下應變測點的實測值與理論值的比較，得到以下結果：

（1）橋梁結構主拱圈、拱腳截面及吊桿的應變，以及吊桿索力校驗系數介于0.31～0.93之間，均小于1.00，說明拱橋結構具有足夠的強度，符合設計要求。

（2）各加載工況，卸載后相對殘余應變均小于20%，說明結構整體變形處于彈性狀態。

4 橋梁動載試驗及結果

動載試驗主要是研究和分析橋跨結構在自然激勵及強迫振動（跑車時）下的結構動力響應形態，橋梁動載試驗的內容主要包括結構振型、自振頻率、沖擊系數等動力參數的檢測。

4.1 脈動試驗

采用自然激勵方法進行脈動試驗，在主橋的主跨、邊跨的八分點處橋面兩側均勻布置豎直振動測點，共54個測點，并設置1個參考點，選在主跨跨中附近。通過采集橋梁結構在自然脈動和所處環境條件下的豎向振動信號，進而分析橋梁結構的振型、固有頻率及阻尼比。

利用Midas Civil進行計算分析，在考慮主體結構的同時，也對橋面鋪裝及其他二期恒載按質量大小和空間位置進行了精確的模擬。試驗典型正對稱、反對稱及扭轉振型如圖9～圖11。

主橋檢測橋孔的各階實測頻率及阻尼比見表3。

表3 實測各階頻率與理論計算頻率的比較

4.2 跑車試驗

采用一輛靜載試驗的雙后軸加載車分別以30km／h、40km／h、50km／h的速度行駛在橋面上，橋跨結構會產生不同幅值的結構自振，在車輛駛離后橋梁結構會作無附加質量的自然衰減振動，利用時域分析曲線的豎向振動形態，按下式則可計算出橋梁結構的沖擊系數（1+μ）。

式中：fdmax、fdmin分別為實測最大和最小動撓度（動應變）。

針對第3、4孔進行跑車試驗，測試結構的沖擊系數，測得的典型時域曲線見圖12，沖擊系數計算結果見表4。

表4 不同車速激振下沖擊系數結果表

4.3 試驗結果分析

根據主橋的動載試驗結果，可以得到：

（1）脈動試驗結果顯示，各孔實測振型與理論振型基本一致，且豎彎頻率均大于理論計算頻率，說明橋梁結構的豎向剛度較好。

（2）通過對跑車時域曲線的計算分析，得到測試孔的沖擊系數均小于規范值，說明該橋在正常工作狀態下動力性能良好。

5 結語

依據該鋼管混凝土拱橋的靜、動載檢測數據，結果表明在設計荷載作用下橋梁結構處于彈性工作狀態，結構的剛度和強度均能滿足設計文件和規范的要求，動力特性響應也處于正常范圍內，說明該橋的運營狀態能滿足設計荷載等級的要求。通過本工程實例，文章介紹了鋼管混凝土拱橋的荷載試驗檢測的內容和過程，荷載試驗數據可為橋梁的日常養護和維修加固提供依據，保證橋梁的運營安全。