某兩跨中承式鋼箱異型拱橋荷載試驗分析

林 彥 哲

(福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建 福州 350025)

0 引言

隨著我國經濟事業日益騰飛，為滿足城市交通發展需要，越來越多結構新穎、跨越能力強的橋梁涌現在城市干道中。其中，鋼箱梁吊桿拱橋以其優秀的跨越能力與美觀的造型、安全穩定的受力性能備受青睞。同時，隨著橋梁設計與施工工藝日趨復雜，在橋梁正式投入運營前對橋梁結構安全性能進行檢測評估愈發重要[1]。成橋荷載試驗是檢驗橋梁實際工作性能最直觀有效的評估手段，保障橋梁結構安全的同時也為橋梁日后維護提供初始數據。本文以中承式鋼箱異型拱橋荷載試驗為例，介紹了該類橋梁荷載試驗的工況布置與測試內容，通過對比分析測試數據與理論計算結果，評估橋梁在試驗荷載作用下的實際工作狀態與受力性能是否滿足規范與設計要求，為其他同類型異型拱橋開展荷載試驗檢測評估工作提供參考借鑒。

1 工程概況

某雙跨中承式鋼箱吊桿異型拱橋，橋梁采用剛構體系，橋墩、鋼主梁和拱肋固結，橋臺處拱座和橋臺共承臺，橋梁跨徑布置為2×57.5 m=115 m。拱肋采用鋼箱結構，四片拱肋在平面內向外旋轉13°形成X形布置。主梁為鋼箱梁，單箱五室等高度截面，拱肋與主梁之間設4×7根吊索。橋梁設吊桿段全寬為23.44 m，布置為：1.72 m(吊桿區)+2.0 m(人行道)+2.5 m(非機動車道)+3.75 m(機動車道)+3.5 m(中央隔離帶)+3.75 m機動車道+2.5 m(非機動車道)+2.0 m(人行道)+1.72 m(吊桿區)=23.44 m。

1)拱肋：拱肋在立面內共面，軸線采用擬合曲線，蝴蝶拱造型。采用變截面鋼箱結構，其截面外輪廓尺寸根據拱軸線長度呈線形變化。鋼材采用Q345qC。拱腳錨固通過拱座定位板和預應力粗鋼筋固定。

2)鋼主梁：鋼主梁采用等高度單箱五室截面，中心截面高2.0 m，頂寬20.0 m～23.44 m，鋼梁橋面板采用正交異性板構造，鋼箱梁鋼材采用Q345qC。

3)吊桿：吊索采用31φ5 mm高強度鍍鋅平行鋼絲，極限強度為1 670 MPa。

4)下部結構：橋墩由上墩柱、鋼混結合段和下墩柱組成，上墩柱采用變截面鋼結構，鋼墩柱通過焊接與鋼主梁連接；下墩柱采用混凝土結構，與鋼主梁固結，結合段鋼墩柱內澆筑混凝土。橋臺與拱座共用承臺，承臺下設直徑120 cm雙排樁，橫橋向間距450 cm，縱橋向間距400 cm。下墩柱、承臺、橋臺及拱座采用C40混凝土，樁基礎采用C35水下混凝土。

5)設計荷載：橋梁機動車道荷載標準：城—A級；人行道及非機動車道：按規范取值。橋型結構布置如圖1所示。

2 有限元建模

采用橋梁結構有限元軟件 Midas/Civil進行結構計算分析[2]，根據設計施工資料并結合現場結構核查結果，建立有限元分析模型。鋼箱梁、鋼箱拱肋、橋墩等共采用了486個梁單元模擬，吊桿采用28個只受拉桁架單元模擬。拱腳和中間墩在承臺處采用固接約束，材料參數根據設計圖紙按規范進行取值。主橋有限元模型如圖2所示。

3 靜載試驗

3.1 試驗工況與荷載效率

本項目為驗收性荷載試驗，依據《城市橋梁檢測與評定技術規范》[3]規范規定，驗收性荷載試驗效率須滿足不小于0.85且不大于1.05的要求，依據橋梁結構控制截面在設計荷載作用下最不利效應值的內力等效原則，通過有限元模型布置試驗荷載作用，計算分析得出本項目各試驗工況的靜載試驗效率[4]，如表1所示。各工況均采用加載車輛橫橋向對稱布載。

表1 靜載試驗工況布置

3.2 測試截面與測點布置

靜載試驗共布置6個測試截面，如圖3所示。應變測試采用振弦式應變計以及振弦讀數儀，應變測試截面為1—1，2—2，3—3，5—5，6—6截面，應變測點布置見圖4～圖6；主梁撓度測試采用水準儀測試，撓度測試截面為1—1截面，測點布置如圖4所示；1號墩側拱腳水平位移測試采用全站儀觀測，于4—4拱腳截面南北兩側各布置1個反光片測點進行水平位移測試。在試驗跨南北兩側索面的1號吊桿與2號吊桿處布置索力測點。

激光二維掃描傳感器z方向測量線性度誤差u5為0.5μm。回轉誤差對本系統測量影響較小，可以忽略。綜上，測量小直徑和大直徑塞規直徑時，系統的不確定度Δ1和Δ2為：

3.3 靜載試驗結果與分析

3.3.1索力檢測結果

吊桿索力檢測結果見表2。檢測結果表明，吊桿索力測點的校驗系數處于0.46～0.67之間，相對殘余處于2.6%～3.5%之間。

表2 吊桿索力增量檢測結果

3.3.2應變檢測結果

檢測結果見表3。檢測結果表明，拱肋及主梁、墩柱應變測點的校驗系數處于0.41～0.81之間，相對殘余應變處于0%～15.2%之間。

3.3.3變形檢測結果

檢測結果見表4。檢測結果表明，拱肋及主梁變形測點的校驗系數處于0.65～0.86之間，相對殘余變形處于1.2%～12.5%之間。

表3 應變檢測結果

表4 變形檢測結果

4 動載試驗

4.1 自振特性試驗

本次測試在各跨橋面8等分點各放置1個豎向加速度傳感器。采用環境脈動法測試橋梁振動響應[5]。自振特性試驗測試結果見表5。實測主梁1階反對稱豎彎振型、主梁2階對稱豎彎振型與理論振型對比見圖7。

4.2 無障礙行車試驗

表5 橋梁自振頻率實測值與理論值匯總表

試驗結果表明：跑車工況下，實測最大沖擊系數μdyn=0.05，剎車工況下，實測最大沖擊系數μdyn=0.11，均小于按JTG D60—2015公路橋涵設計通用規范第4.3.2條規定計算得到的設計理論沖擊系數值，見表6。

表6 實測動力沖擊系數匯總表

5 結論

通過對本文兩跨中承式鋼箱異型拱橋進行靜動載試驗，結合有限元模型理論數據和試驗實測數據的比較分析，得到結論如下：

1)在靜力試驗荷載作用下，實測吊索索力增量校驗系數處于0.46～0.67范圍，實測主梁、拱肋、墩柱應變校驗系數處于0.41～0.81范圍，實測撓度及水平位移校驗系數處于0.65～0.86范圍，均滿足JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測評定規程[6]規定的校驗系數不大于1的要求，表明主梁、鋼箱拱肋以及吊桿等構件受力狀態滿足設計要求，橋梁結構具有較好的強度與剛度。

2)靜力荷載退載后，實測吊索索力增量相對殘余值處于2.6%～3.5%范圍，主梁、拱肋、墩柱相對殘余應變處于0%～15.2%范圍，主梁、拱腳相對殘余變形處于1.2%～12.5%范圍，相對殘余索力增量、應變及變形均滿足JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測評定規程規定的相對殘余不大于20%的要求，表明橋梁結構處于彈性工作狀態。

3)動載試驗結果表明，實測振型與理論振型基本相符，實測橋梁前2階豎向自振頻率均大于理論計算結果，說明橋梁結構整體動力性能良好，整體剛度滿足設計要求；跑車與剎車工況下，實測橋梁最大沖擊系數均小于設計沖擊系數0.12，滿足設計要求。

4)靜動荷載試驗測試表明該中承式鋼箱異型拱橋的成橋性能滿足城—A級荷載等級的設計要求；為該中承式鋼箱異型拱橋的交竣工驗收及其后續管養提供技術依據。同時，本文可為同類異型拱橋開展荷載試驗檢測評估工作提供參考借鑒。