大跨徑中承式鋼管砼拱橋荷載試驗分析

鄭凱

(佛山市公路橋梁工程監測站有限公司， 廣東 佛山 528041)

1 工程概況

某橋梁全長近750 m，主橋為三孔(50+280+50) m中承式鋼管砼系桿拱橋。橋面全寬按雙向八車道外加人行道設計，橫橋向為上下行分離完全獨立且對稱的左、右兩幅橋，每幅橋面寬26.1 m，由4.8 m人行道+0.5 m防撞護欄+15.5 m行車道+0.5 m防撞護欄+4.8 m過橋水管和檢修道組成。設計荷載為汽-超20、人群3.5 kN/m2。主拱墩頂間跨度280 m，計算跨徑271.5 m，計算矢高54.3 m，計算矢跨比1/5，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數1.5，預拱度在拱頂取值0.45 m；邊跨計算跨徑89.35 m，計算矢高9.1 m，矢跨比1/9.819，拱軸線也采用懸鏈線，拱軸系數1.9。橋型布置見圖1。

圖1 某中承式鋼管砼系桿拱橋橋型布置(單位：cm)

為保證橋梁運營的可靠性，檢驗橋梁結構的承載能力及工作性能，對其進行荷載試驗。

2 荷載試驗方案

2.1 有限元分析

根據該橋受力特點，采用空間桿系有限元程序MIDAS/Civil對結構受力進行分析，計算模型見圖2。分別采用梁單元模擬主拱、橫梁及墩柱，桁架單元模擬吊桿和系桿，板單元模擬橋面結構，拱肋鋼管砼按組合截面考慮，共采用梁單元3 677個、桁架單元192個、板單元1 864個。結構分析包括汽車荷載效應、試驗車荷載效應和結構自振特性分析三方面，其中：汽車荷載效應按設計最不利布載進行影響線加載，計算結構控制截面的設計內力值；試驗車荷載效應按試驗車的實際車重和實際輪位進行布載，計算結構控制截面的試驗內力值，確定滿足規范要求的試驗荷載效率；結構自振特性分析采用子空間迭代法，計算結構前6階自振頻率和振型。

圖2 某中承式鋼管砼系桿拱橋結構空間模型

2.2 荷載試驗內容與工況

靜載試驗主要從試驗荷載下結構構件的局部應變分布和結構整體變形來評定結構的受力性能，試驗內容如下：1) 測試邊跨拱肋L/2截面、中跨拱肋L/4、L/2和3L/4截面的豎向位移影響線，判斷結構整體變形能力是否與設計相符；2) 測試邊跨拱肋L/2和拱腳截面，中跨拱肋L/4、L/2、3L/4和拱腳截面在試驗荷載作用下的應變分布及拱肋豎向位移，判斷結構的局部受力及整體變形狀態是否正常；3) 測試吊桿在試驗荷載下的索力，并與理論計算結果對比，判斷其受力狀態及參與結構整體受力的程度。試驗工況及荷載效率分別見表1、表2。

表1 靜載試驗測試內容

表2 靜載試驗各工況的荷載效率

動載試驗通過脈動試驗、行車試驗、跳車試驗和制動試驗測定橋梁作為一個整體結構在動力荷載作用下的受迫振動特性和結構的自振特性，評價結構的現有工作狀態。

2.3 測試截面與測點布置

靜載試驗測點包括應變測點和位移測點。結構應力測試采用振弦式應變計；主跨位移測試采用數字式全站儀，測點布置在主拱肋各八分點；邊跨位移測試采用數字式百分表，測點布置在邊拱跨中截面處；吊桿索力測試采用索力儀。分別以前綴“S-”、“X-”表示每幅橋上游和下游的測點編號，測試截面與測點布置見圖3～5。

圖3 測試截面、各測試參數測點布置(單位：cm)

3 靜載試驗分析

3.1 橋梁整體受力性能影響線測試結果分析

結構影響線測試采用4輛加載車并排在橋面主跨各八分點和邊跨各四分點進行加載，測試主跨拱肋L/4、L/2、3L/4截面和邊跨拱肋跨中截面的豎向位移，得到梁體實際縱向影響線，了解結構的整體工作狀態。各截面結構影響線測試結果見圖6。

圖4 拱肋撓度測點布置(單位：cm)

圖5 動載試驗拾振器布置(單位：cm)

圖6 各截面影響線測試結果

由圖6可知：拱肋各測試截面豎向位移影響線的實測值與理論值走向一致，符合結構變形的幾何特點；實測值與理論值基本吻合，實測值小于理論值，體現了在模擬局部受力時數值計算與實際結構受力之間的差異，也說明結構實際剛度可能大于理論計算所采用剛度。主跨拱肋L/2截面影響線關于跨中截面的對稱性良好，主跨L/4與3L/4截面、北岸與南岸邊跨跨中截面影響線也呈現較好的對稱性，說明結構整體受力的縱向對稱性良好。

3.2 截面應變測試結果分析

主要對A截面(主跨拱肋L/2截面)測試結果進行分析。該截面測試包括工況2和工況3，分別測試主跨拱肋跨中截面應力、吊桿索力和拱肋變形，主要測點數據見表3。由表3可知：拱肋跨中截面上、下弦桿應變測點實測殘余較小，測點相對殘余應變均小于10%，滿足JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗規程》(以稱試驗規程)的要求，說明測試截面處于彈性工作狀態。

表3 主跨拱肋L/2截面的實測應變

表4為A截面換算內力及相應理論值。由表4可知：拱肋跨中截面上、下弦桿換算彎矩很小，主要承受軸向力，通過弦桿間力矩抵抗外荷載產生的彎矩，與鋼管砼拱橋的設計理論相符，也反映了桁架式鋼管砼拱橋拱肋的受力特點；從截面整體受力情況來看，主拱肋仍是以受彎為主的壓彎構件。弦桿換算內力值基本小于理論值，而全截面換算內力值與理論值有所差異，與拱肋實際剛度及腹桿等局部構造對拱肋上、下弦桿間內力分配的影響有關，體現了結構受力的復雜性。

表4 主跨拱肋L/2截面的換算內力

表5為A截面換算應力。由表5可知：工況2和工況3下拱肋上弦的最大換算平均應力分別為-9.5、-14.0 MPa，應力校驗系數分別為0.69、0.73，滿足試驗規程中鋼筋砼拱橋應力校驗系數為0.5～0.9的要求。其他工況下各測試截面數據均滿足規范要求，在此不再詳細分析。

表5 主跨拱肋L/2截面的換算應力

主拱拱肋為四肢矩形格構式截面，每根弦桿為獨立的啞鈴形，上、下弦桿由豎腹桿和斜腹桿連接共同工作。圖7為工況2和工況3下拱肋跨中截面實測應變沿截面高度的分布。由圖7可知：每根弦桿的變形呈較好的線性關系；從全截面變形角度來看，測試截面處局部荷載效應明顯，桁架式結構由于受弦桿節間局部彎曲的影響，截面變形以弦桿的獨立變形為主。

圖7 拱肋應變沿截面高度的分布

3.3 截面撓度測試結果分析

工況2和工況3試驗荷載作用下拱肋實測變形見表6、圖8。由表6、圖8可知：實測拱肋豎向變形與理論值吻合良好，反映了結構的變形特點；相對于其他測點，跨中加載截面部分實測值與理論值相差略大，這與在考慮局部受力時理論計算和結構實際受力的差異有關。工況2和工況3下拱肋最大豎向變形均發生在跨中截面，上下游兩側拱肋實測變形平均值分別為15.7、26.0 mm，撓度校驗系數分別為0.76、0.88，滿足試驗規程中撓度校驗系數為0.5～1.0的要求。根據工況3下拱肋跨中實測豎向變形推算，使用汽車荷載(不計沖擊力)作用下拱肋跨中撓度為25.0 mm，撓跨比=25.0/280=1/11 200<1/1 000，結構剛度滿足規范要求。

表6 主跨拱肋L/2截面豎向變形

圖8 拱肋實測變形與理論值對比

3.4 吊桿索力測試結果分析

索力測試結果見圖9。由圖9可知：換算索力與理論索力的分布特點一致，但測試截面附近吊桿換算索力小于理論值，而遠離測試截面處的吊桿換算索力比理論值大，說明橋面鋪裝等參與結構受力，實測吊桿索力的分布比理論值更均勻。工況2和工況3下索力最大值均出現在24#吊桿，其上下游平均實測索力分別為228.1、304.8 kN，理論值分別為328.2、387.7 kN，索力校驗系數分別為0.70、0.79，滿足試驗規程的要求。

圖9 吊桿索力分布

4 動載試驗分析

結構實測自振頻率、理論頻率、阻尼比和振型見表7，圖10、圖11為典型工況下脈動試驗頻譜分析結果，圖12、圖13分別為1、2階理論計算振型與頻率。

圖13 2階理論計算振型與頻率(結構豎向反對稱二次彎曲)

圖12 1階理論計算振型與頻率(橫向正對稱一次彎曲)

圖11 橋面跨中上、下游豎向互譜圖

從表7、圖10～13可以看出：結構第1階振型為拱助正對稱橫向變形，基頻為0.38 Hz；第2階自振頻率為0.60 Hz，振型以拱肋豎向反對稱變形為主；第3階振型以橋面橫向變形為主，自振頻率為0.66 Hz；第4階振型以拱肋豎向正對稱變形為主，自振頻率為0.97 Hz；第6階振型以整體扭轉為主，自振頻率為1.15 Hz。結構實測基頻高于理論計算值，說明拱肋實際橫向剛度比理論值大；實測豎向振動自振頻率高于理論值，說明結構實際豎向剛度比理論值大。

表7 實測自振頻率和振型阻尼比

圖10 拱頂橫向振動測點與參考點的傳遞函數圖

5 結論與建議

(1) 靜、動載試驗結果反映了中承式鋼管砼系桿拱橋在成橋狀態的受力特點，實測結果與理論計算結果一致，結構實際受力狀態與設計相吻合。

(2) 靜載試驗荷載作用下結構主要構件受力狀態正常，結構橫向、縱向受力對稱性良好，實測結果均小于理論計算值，應力、變形、索力校驗系數均滿足試驗規程的要求；動載試驗結果顯示結構自振頻率、振型和振型阻尼比等動力特征指標均正常，滿足結構正常運營要求。靜載和動載試驗結果表明結構受力滿足汽-超20運營荷載正常使用要求。

(3) 為提高結構的耐久性，建議管養單位加強運營階段的養護維修，做好主拱等鋼結構的防銹、吊桿和橋面的養護等，對結構關鍵部位進行定期檢查、維護和監測，保證橋梁長期安全、可靠地運營。