某提籃系桿拱橋成橋荷載試驗研究

王 瑋

(鄭州工商學(xué)院，河南 鄭州 451400)

1 工程概況

該提籃系桿拱橋位于城市支路，規(guī)劃道路紅線13 m，設(shè)計長度434.433 m。其中橋梁全長為98 m，橫向布置為2.3 m(人行道)+2.0 m(分隔帶)+8.0 m(機動車道)+2.0 m(分隔帶)+2.3 m(人行道)=16.60 m，橋面車行道橫坡度為2.0%，人行道橫坡度為1.0%，人行道外側(cè)設(shè)有護欄。橋梁設(shè)計汽車荷載等級：城-A級，人群荷載：5.0 KPa。

橋梁上部結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土提籃系桿拱橋，屬于剛性系梁剛性拱，采用柔性吊桿，計算跨徑90 m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比1/4.5，矢高20 m，拱肋平面由鉛垂面內(nèi)傾8。，拱肋截面為啞鈴式鋼管混凝土截面。由兩個直徑90 cm鋼管和腹板組成，截面高度210 cm，將C50微膨脹混凝土填充于管內(nèi)，鋼管橫撐直徑為80 cm，壁厚為14 mm。主橋系梁采用鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，系梁截面采用矩形截面，截面高度2.0 m，截面寬度1.5 m。基礎(chǔ)為承臺接樁基礎(chǔ)，而橋臺為一字式橋臺。每片拱肋由16根吊桿組成，材料為61絲直徑7 mm的鍍鋅高強鋼絲索，吊桿間距5 m，PE護套橋面以上2 m高度外包裹不銹鋼材質(zhì)套管。橋面板采用實心板，板寬99 cm，厚25 mm，7根一字風(fēng)撐組成風(fēng)撐，并用外徑為80 cm的鋼管焊接為一體。主橋上部結(jié)構(gòu)的系梁、中橫梁以及端橫梁都是采用支架現(xiàn)澆而成，鋼管拱肋分段拼裝。

2 全橋有限元模型建立及結(jié)構(gòu)分析

為了解結(jié)構(gòu)的靜力性能，準(zhǔn)確制定試驗加載方案，首先對本橋進行了力學(xué)性能分析。本文采用有限元計算程序MIDAS/Civil2012建立空間有限元模型，并進行受力分析，該橋的有限元計算模型見圖1。

圖1 全橋Midas civil有限元模型示意圖

3 橋梁靜載試驗

試驗荷載采用正常使用極限荷載狀態(tài)所產(chǎn)生的控制截面的設(shè)計彎矩進行確定，取設(shè)計活載效應(yīng)最大值作為該橋試驗荷載的控制值。沖擊系數(shù)按照相關(guān)規(guī)范計算確定，結(jié)構(gòu)基頻通過有限元分析軟件計算確定。

3.1 主要試驗工況及加載效率

加載方法是根據(jù)測試指標(biāo)的影響線進行布載，使之滿足《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 233-2015)及《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)中規(guī)定的加載效率在0.85～1.05之間的要求。

表1 各試驗工況下的荷載效率

3.2 靜載試驗測試結(jié)果與分析

位移測試是進行靜載試驗測試的主要項目，位移測試測試結(jié)果如下所述。根據(jù)測試結(jié)果并結(jié)合《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 233-2015)及《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/TJ21-2011)的相關(guān)要求對試驗跨整體的受力性能進行相應(yīng)評價。

(1)控制截面撓度與應(yīng)變測試結(jié)果與分析

表2 各試驗工況下的荷載效率

根據(jù)表2的計算結(jié)果可知，在不同的試驗工況條件下，測試截面各個測點撓度校驗系數(shù)均在0.64～0.75之間，都小于1，說明該橋跨結(jié)構(gòu)實際工作狀況優(yōu)于理論狀況；撓度最大殘余比為4.78%，應(yīng)變最大殘余比為8.14%，都小于20%，這些都表明該橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。根據(jù)以上測試結(jié)果可知，該橋跨結(jié)構(gòu)的整體工作性能良好，承載能力滿足城-A級，人群荷載：5.0 KPa的設(shè)計要求。

(2)吊桿最大索力增量測試結(jié)果與分析

該橋在設(shè)計荷載作用下，產(chǎn)生最大拉力的吊桿為南側(cè)8#、9#吊桿。在工況1荷載條件下，吊桿索力理論計算值與實測值的對比情況見表3及表4。

表3 工況1狀態(tài)下吊桿索力測試結(jié)果表

從表3可以看出：在工況1荷載條件下，吊桿索力增量實測校驗系數(shù)為0.80～0.82，小于1，表明計算吊桿拉力增量與設(shè)計狀態(tài)相符，該橋結(jié)構(gòu)體系受力合理，滿足設(shè)計要求。

4 橋梁動載試驗

結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼比、沖擊系數(shù)都是動力荷載試驗的主要測試項目，動力荷載試驗的測試目的是研究橋梁整體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性，并判斷橋梁的實際運營狀況。

4.1 動載測點布置

為了達到測試目的，全橋共用7個加速度傳感器，全部為V向，分別布置在橋跨結(jié)果一側(cè)的八等分截面處。而動位移測試的測點則布置在橋跨跨中位置。

4.2 結(jié)構(gòu)模態(tài)測試結(jié)果與分析

采用環(huán)境激勵法采集數(shù)據(jù)，獲得測點信號的頻譜圖后，用傳遞函數(shù)法對選擇的頻率峰值進行參數(shù)識別，從而求得結(jié)構(gòu)的阻尼比、自振頻率及響應(yīng)的振型。本橋前階實測頻率與用有限元模型求得的理論自振頻率對比結(jié)果以及各階振型的實測阻尼比見表4。

從表4所列測試結(jié)果可以看出，該橋結(jié)構(gòu)實測振型與理論振型相符，前2階實測結(jié)構(gòu)固有頻率均大于理論計算頻率，這表明結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論剛度。該橋阻尼比在0.009 4～0.017之間，表明該橋阻尼比較大，結(jié)構(gòu)耗能較好。

表4 實測振型與理論振型對比表

4.3 沖擊系數(shù)結(jié)果分析

該橋在載重車在跑車及剎車工況作用下的動力性能較好；在跳車工況條件下實測沖擊系數(shù)為1.167，理論值為1.127，實測沖擊系數(shù)大于其理論值，這表明在不良路況條件下橋梁的沖擊系數(shù)會有較大幅度的增加，因此，為了避免橋面出現(xiàn)坑洼、破損等現(xiàn)象，做好行車橋面的養(yǎng)護，就顯得特別重要。

5 結(jié) 論

通過對該提籃系桿拱橋進行成橋荷載試驗，可以得出一些幾條結(jié)論。

(1)本次荷載試驗各工況的荷載效率η值滿足《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 233-2015)及《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/TJ21-2011)中0.85≤η≤1.05的規(guī)定，滿足靜荷載試驗的相關(guān)要求。

(2)該橋拱肋強度、剛度滿足設(shè)計要求，縱橫梁抗彎強度、剛度滿足設(shè)計要求，且上部結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，吊桿強度滿足設(shè)計荷載要求。

(3)橋梁結(jié)構(gòu)實測自振頻率大于相應(yīng)的理論計算值，結(jié)構(gòu)實測振型與理論振型相符，這表明目前結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)較好。