某鋼結構系桿拱橋的仿真分析和靜力荷載試驗研究

王佳佳，姜維強

(1.四川正路建設工程檢測咨詢有限公司，四川 成都 610000；2.中鐵北京工程局集團第一工程有限公司，西安 710100)

1 理論分析

1.1 工程背景

該橋梁為一跨98.109 m下承式鋼箱拱橋，全橋共1聯，鋼箱梁橋面總長為106.08 m，橋寬為37.8～56.116 m，跨中處橋梁斷面寬度：2×(3 m人行道+4-5.658 m鏤空區+6.5 m人行道+10.5 m車行道+1.9 m中分帶)。橋全橋設3片拱圈，左右對稱布置，中拱圈位于鉛垂平面內，邊拱圈整體向內傾斜25°。跨中設橫撐連接中拱圈和邊拱圈，吊桿與拱圈共面。拱圈采用變截面鋼箱形式，拱軸線跨徑為100 m，在其平面內矢高26.5 m，矢跨比為1/3.77。拱軸線采用二次拋物線，方程為y=0.010 6*x2，拱圈斷面為矩形。

主梁為鋼箱結構，箱粱中線處高度為1.7 m。斷面為單箱七室形式，中腹板鉛垂，邊腹板斜置。全橋共設22根外吊桿和22根中吊桿，其中邊拱圈采用單吊桿形式，中拱圈采用雙吊桿形式。拱座采用鋼筋混凝土實體拱座接承臺基礎。該橋設計荷載等級為城-A級，人群：2.4 KN/m2。

1.2 結構有限元仿真分析

依據橋梁設計圖紙，利用Midas Civil對該橋進行仿真分析，模型中主拱圈、縱向鋼梁及橫向鋼梁均采用空間梁單元，吊桿采用桁架單元，全橋共建立梁單元190個，桁架單元33個，節點202個。橋梁有限元模型建立過程中的邊界條件設置如下：

(1)外部邊界：因拱圈與拱座剛接，因此主拱圈拱腳位置采用一般支撐約束拱腳節點六個方向的自由度；鋼箱梁在橋臺處設置三個橫向支座，根據支座型號及尺寸計算出六個方向的約束剛度，在Midas Civil中采用節點彈性支撐模擬支座剛度。

(2)內部邊界：中吊桿與鋼箱梁連接為其提供彈性支撐，直接承受橋面荷載；外吊桿與外挑梁內緣連接，主要承受人行道荷載，吊桿在其上端通過吊耳與拱圈相連，下端通過吊耳與外挑梁相連，因吊桿剛度遠遠小于拱圈和主梁，故吊桿與鋼箱梁及拱圈之間采用共節點方式模擬。因外挑工字鋼梁與主梁之間剛接，且剛度遠小于鋼梁剛度，故主梁與外挑梁之間采用軟件中剛性連接模擬，主梁節點為主節點，外挑梁為從屬節點。中拱圈和邊拱圈之間在跨中和L/4處設置三道橫撐，因橫撐剛度相對較小，橫撐與拱圈之間采用釋放梁端約束方式模擬。

2 工程試驗

2.1 試驗控制斷面選取

根據下承式系桿拱橋結構形式、受力特點及現場實際情況，選擇拱圈、主梁及吊桿的試驗截面設置情況如下。

對于中肋和邊肋在拱頂截面設置應變和撓度測點，拱腳截面設置應變測點；中肋拱腳附近截面A-A、拱頂截面C-C及L/4截面B-B；邊肋拱腳附近截面D-D、拱頂截面F-F及L/4截面C-C。對于鋼梁截面取最大正彎矩截面，此截面位于邊吊桿與支座之間梁段跨中位置；主梁應力測點布置截面I-I。

對于吊桿索力測試截面取中吊桿D1′-1、D1′-2及邊吊桿YD1為最大索力測試截面。

2.2 靜載實驗內容及測點布置

靜載試驗主要通過測試結構控制截面測點的應力、撓度及索力，可以反應結構在試驗荷載作用下理論值與實測值之間的關系。根據本橋的結構特點，測試的主要內容為邊拱和中拱拱頂最大彎矩，L/4截面最大彎矩，拱腳截面附近最大彎矩，鋼主梁截面的最大彎矩及吊桿索力，拱肋、拱頂與L/4處撓度。根據測試內容選擇相應的儀器設備如下:應力測試采用靜態應變測量儀，撓度測點采用精密全站儀，索力測試采用頻率法。拱肋截面頂緣和底緣各設置三個應變測點，主梁截面下緣設置應變測點，拱頂截面及L/4處設置撓度測點，通過在拱圈側面貼反光膜片采用精密全站儀測梁拱圈撓度。測點布置如圖1～圖3所示。

圖1 拱肋應變測點布置圖(cm)

圖2 鋼主梁應變測點布置圖(cm)

圖3 撓度測點布置圖

2.3 試驗荷載及荷載試驗效率

(1)試驗荷載

本次試驗按照公路-I級汽車荷載進行加載，利用Midas Civil Designer荷載試驗分析模塊，確定試驗荷載，試驗采用配重汽車荷載進行加載，依據計算結果共采用10梁試驗車進行加載，試驗車的車型、軸距和輪距圖4所示。

表1 加載車輛規格表

圖4 汽車軸距布置示意圖(cm)

(2)試驗加載效率

靜載試驗的目的是檢驗橋梁在車輛荷載(等效設計荷載)作用下，橋梁的變形及主要構件的應力狀態。根據《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/T J21-01-2015)建議，對于竣工驗收荷載試驗，靜力荷載試驗的效率系數應滿足0.85≤ηq≤1.05。根據規范規定的靜載試驗荷載效率的要求及各測試斷面的設計荷載內力值，采用靜力荷載試驗效率ηq進行控制。

式中：SS—靜載試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應的加載控制截面內力或位移的最大計算效應值；S—控制荷載產生的同一加載控制截面內力。靜力荷載試驗各工況控制斷面的設計內力值及加載效率見表2。

表2 試驗內力及加載效率 KN*m/KN

3 靜力荷載試驗數據結果及分析

3.1 應變數據測試結果及分析

各工況控制點的應變實測值、理論值、相對殘余變形對比結果見表3。根據結構受力特征，選取典型斷面數據進行分析，取中肋拱頂和拱腳截面應變沿肋高方向的應力變化規律如圖5和圖6所示。

表3 各工況下應變分析表

圖5 中肋拱頂截面應力實測值與理論值

圖6 中肋拱腳截面應力實測值與理論值`

由表2各工況下實測應變和理論應變值，可知結構應變校驗系數在0.80-0.98之間，殘余比在4%～17%之間，滿足《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/T J21-2015)中撓度校驗系數在0.75～1.0范圍內要求，殘余比在20%以內，說明結構有一定的安全儲備，彈性工作狀態良好。由圖7和圖8可知，主拱圈沿肋高方向實測應變值與理論應變值吻合性較好，說明計算模型建立的邊界條件和構件之間連接的模擬合理；沿拱肋寬度方向的應變為中間小兩側大，表明箱梁的剪力滯效應明顯。

3.2 撓度數據測試結果及分析

各工況控制點的撓度實測值、理論值、相對殘余變形對比結果見表4。根據結構受力特征，選取中拱肋和邊拱肋在L/4、L/2及3L/4斷面處的撓度分布規律進行分析，分析結果見圖7和圖8，左中右三個測點分別對應L/4、L/2及3L/4處撓度。

圖8 邊肋撓度實測值(mm)

圖7 中肋撓度實測值(mm)

表4 各工況下撓度分析表

由表4各工況下實測撓度和理論撓度，可知撓度校驗系數在0.81～0.93之間，殘余比在7%～10%之間，滿足《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/T J21-2015)中撓度校驗系數在0.75～1.0范圍內要求，殘余比在20%以內，說明結構有一定的安全儲備，且彈性工作狀況良好。由圖7和圖8可知，試驗荷載作用下順橋向實測撓度值與理論撓度值吻合且拱肋變形規律一致，表明計算模型建立的邊界條件和構件之間連接的模擬合理。

3.3 索力數據測試結果及分析

索力通過測試空載狀態下的索力和試驗荷載下的索力，對吊桿的受力進行分析。索力測試溫度與主梁合攏時溫度保持一致，索力的實測值與理論值見表5。

表5 吊桿索力理論值與實測值結果

由表5中各工況下實測撓度和理論撓度，可知吊桿索力校驗系數在0.76～0.99之間，說明吊桿安全儲備較大。在對稱荷載作用下，中肋下兩根吊桿實測索力增量數值在1.8%之間，說明兩根吊桿受力均勻。

4 結束語

(1)通過理論數據與實測數據的對比，有限元仿真模型計算值與實測值吻合較好，表明有限元模型橫向聯系和邊界條件模擬合理，可以為相似工程建模分析提供參考。

(2)該橋在各靜載工況下，應變校驗系數和撓度檢驗系數均在正常范圍內，結構處于彈性工作范圍內，殘余變形小于允許值。

(3)通過靜載試驗對該橋的承載能力進行總體考察，為橋梁交工驗收和正常運行提供了技術依據。