某帶掛梁的V形墩剛構拱組合橋梁靜載試驗研究

張凡龍

(安徽省交通科學研究院，安徽 合肥 230051)

1 工程概況

某橋位于福建省205國道上，采用3跨1聯V形墩剛構拱組合結構，邊孔設掛梁的結構形式，橋跨組合為24 m+40 m+24 m，全長100 m。主梁采用單箱三室預應力混凝土箱梁結構，拱腳部分采用單箱四室普通鋼筋混凝土箱梁結構，墩頂處為V形空心結構，高為8.323 m，跨中及端部梁高1.3 m。橋梁全寬18 m。設計荷載為公路-Ⅰ級。橋梁結構外形如圖1所示。

圖1 橋梁結構現場外形圖

2 靜載試驗

橋梁荷載試驗是結構承載能力評估的最直接、最可靠的評價方法。靜載試驗是通過模擬車輛荷載作用在橋梁上，通過測試結構應力、位移、變位和開裂情況，并與結構計算分析值進行比較，科學判斷橋梁的實際承載能力。

2.1 計算分析

利用橋梁結構計算分析軟件MIDAS Civil建立橋梁有限元模型對結構進行力學分析，得到結構在等效試驗荷載作用下各測點的撓度、應力、變位等參數值。試驗荷載采用設計荷載(公路-Ⅰ級)的等效荷載。結構有限元分析模型如圖2所示。

圖2 橋梁有限元分析模型

2.2 靜載試驗工況設置

根據計算結果確定靜載試驗控制截面，如圖3所示。

圖3 靜載試驗截面縱向布置圖(單位：cm)

根據截面彎矩(或位移)影響線確定各工況試驗車輛加載方案，主要試驗工況車輛位置布置如圖4～圖7所示。加載車輛采用4輛重量均為42 t左右的后雙軸載重車，該橋靜載試驗荷載效率見表1。主要試驗工況如下：

圖4 工況一車輛加載布置圖

表1 靜載試驗效率列表

(1)工況一：1#墩V構懸臂端最大撓度偏心加載，測試懸臂端(1-1)截面各測點撓度。

(2)工況二：1#墩V構水平剛架梁跨中最大正彎矩偏心加載，同時滿足1#墩V構主跨側斜腿拱腳最大負彎矩偏心加載，測試剛架梁跨中(2-2截面)和斜腿拱腳(3-3截面)各測點應變及撓度。

(3)工況三：中跨拱頂最大正彎矩偏心加載，測試拱頂(4-4截面)各測點應變及撓度。

(4)工況四：2#墩V構主跨側斜腿節點最大正彎矩偏心加載，測試斜腿節點(5-5截面)各測點應變及撓度。

圖5 工況二車輛加載布置圖

圖6 工況三車輛加載布置圖

2.3 靜載試驗測點布置

主要測試結構各控制截面的測點在荷載作用下的變形(撓度)和應變(應變)。撓度采用電阻式位移傳感器測試，應變采用半橋應變片和靜態采集系統測試。截面測點布置如圖8所示。

圖7 工況四車輛加載布置圖

圖8 試驗截面應力及撓度測點布置

2.4 靜載試驗結果

2.4.1 撓度分析

在試驗車輛荷載作用下，實測橋梁各測點撓度并求得彈性撓度后與理論分析值對比，求得撓度校驗系數。主要工況下橋梁撓度實測彈性值及計算分析值如圖9～圖12所示。

圖9 工況一荷載作用下懸臂端1-1截面測點撓度

圖10 工況二荷載作用下剛架梁2-2截面測點撓度

圖11 工況三荷載作用下拱腳4-4截面測點撓度

圖12 工況四荷載作用下斜腿節點5-5截面測點撓度

撓度校驗系數能直接反映結構承載能力好壞及安全儲備大小。實測值與計算值的對比分析結果表明: 各主要測點撓度校驗系數均處在0.70～0.93，小于1.0且在該結構類型橋梁撓度校驗系數范圍內(0.50～1.00)，表明橋梁結構在等效試驗荷載作用下剛度較好，且承載能力安全儲備有一定的富余，能夠滿足設計荷載的正常使用要求。

2.4.2 應變(應力)分析

在試驗車輛荷載作用下，實測橋梁各測點應變并求得彈性應變后與理論分析值對比，求得應變校驗系數。主要工況下橋梁應變實測彈性值及理論分析值如圖13～圖16所示。

圖13 工況二荷載作用下剛架梁2-2截面測點應變

圖14 工況三荷載作用下拱腳3-3截面測點應變

圖15 工況三荷載作用下拱頂4-4截面測點應變

圖16 工況四荷載作用下斜腿節點5-5截面測點應變

應變校驗系數能反映結構局部強度大小。實測彈性值與理論值對比分析結果表明: 各主要測點應變校驗系數在0.73～0.85，小于1.0且在該結構類型橋梁撓度校驗系數范圍內(0.50～0.90)，表明橋跨結構在等效試驗荷載作用下具有較高的強度，能夠滿足設計荷載的正常使用要求。

2.4.3 橋梁線彈性分析

逐級卸載完畢并待結構恢復20 min后實測各測點撓度和應變殘余值，并與結構總撓度和總應變值比較，得到撓度和應變最大相對殘余值分別為8.70%和7.69%，均小于規范要求的20%，表明橋梁結構接近彈性工作狀況。

2.4.4 裂縫及其他異常情況分析

試驗過程中未發現裂縫及其他異常情況。

3 結 語

通過對該V形墩剛構拱橋組合結構橋梁的靜載試驗結果分析得到以下結論：

(1)在等效試驗荷載作用下，橋梁撓度及應變校驗系數小于1.0，且撓度及應變實測值沿橫向變化較均勻，表明該橋承載能力滿足設計荷載的正常使用要求，橫向整體抗扭剛度較大。

(2)各截面主要測點撓度和應變最大相對殘余值均小于20%，表明該橋接近彈性工作狀態。

(3)試驗中未發現裂縫及其他異常情況，結構抗裂性較好。

綜合分析認為，該帶掛梁的V形墩剛構拱組合結構整體剛度和強度較大，整體受力性能良好，滿足公路-Ⅰ級的設計荷載要求。