下承式鋼桁架拱橋靜力性能試驗(yàn)與對比

侯淞譯， 王錁

（1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056；2.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430010）

0 引言

橋梁靜力荷載試驗(yàn)作為一種科學(xué)試驗(yàn)，是將荷載直接施加到橋梁結(jié)構(gòu)上，進(jìn)而得到橋梁在實(shí)際工作中的受力情況，由此可以對測試的橋梁結(jié)構(gòu)在使用階段的承載能力及運(yùn)營狀況進(jìn)行評價(jià)［1］。通過對一些新建橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載試驗(yàn)，可以檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量能否達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求［2-4］。

文中主要對某下承式鋼桁架拱橋的靜力荷載試驗(yàn)進(jìn)行分析，由于橋作為一種特殊式橋梁結(jié)構(gòu)-下承式鋼架拱橋，在設(shè)計(jì)與施工時(shí)都具有一定的技術(shù)難度和復(fù)雜程度，所以對橋進(jìn)行運(yùn)營階段的靜力荷載試驗(yàn)不僅是對橋安全性的一種檢驗(yàn)，更可以對未來相似橋型的設(shè)計(jì)提供重要的參考價(jià)值。

1 工程概況

文中研究對象為某（22+106+22）m下承式鋼桁架拱橋。該橋上弦桿的拱軸線采用圓弧線與二次拋物線，下弦桿的拱軸線采用二次拋物線，下拱肋矢高19.27m，矢跨比1/5.5，拱頂桁架高度為3.5m，橋面寬38m，雙向六車道。順橋向方向，橋?yàn)檎w無推力拱橋，為達(dá)到該體系，橋梁在一側(cè)拱橋位置處設(shè)置固定支座，另一次采用滑動支座。主梁為主縱梁、鋼橫梁、次縱梁共同受力的結(jié)構(gòu)，橋面系為正交異形板。主橫梁的斷面形式為工字型斷面，吊桿采用平行鋼絲吊桿。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，墩柱與樁基通過承臺連接橋立面布置圖如圖1所示。

圖1 拱橋測試斷面

2 靜載試驗(yàn)

橋梁靜力試驗(yàn)是根據(jù)理論模型，找出設(shè)計(jì)荷載作用下結(jié)構(gòu)的最不利截面，在特定位置施加靜載，模擬橋梁運(yùn)行的最不利情況，并測量相應(yīng)的變形、應(yīng)力、索力增量等參數(shù)［5］。由于鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拱肋承受較大的壓應(yīng)力，通過荷載試驗(yàn)，可以清楚地了解鋼桁架拱橋在設(shè)計(jì)荷載作用下主要受力結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，進(jìn)而判斷鋼桁拱橋的使用性能和承載力，同時(shí)為橋梁的運(yùn)營管理提供參考［6-8］。

2.1 靜載試驗(yàn)工況的確定

通過對橋成橋狀態(tài)下的內(nèi)力與荷載分析，主梁跨中截面與拱肋L/2截面、L/4截面為最不利截面，結(jié)合規(guī)范對拱橋加載測試項(xiàng)目規(guī)定，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，設(shè)置3個(gè)測試截面，分別為：A-A截面（拱頂截面）、B-B截面（L/4截面）和C-C截面（墩頂截面），測試截面布置如圖所示［9，10］。

對鋼桁架拱橋主要的測試內(nèi)容有：①A-A斷面對稱布置，使主梁跨中正彎矩最大；②A-A斷面偏心布置，使主梁跨中正彎矩最大；③B-B斷面對稱布置，使主梁L/4處正彎矩最大；④C-C斷面對稱布置，使得主梁負(fù)彎矩最大。

3.2 試驗(yàn)控制荷載和荷載效率

試驗(yàn)控制荷載應(yīng)選擇設(shè)計(jì)的最不利活荷載控制值。靜力試驗(yàn)效率系數(shù)是結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的各主要控制截面測點(diǎn)應(yīng)力（應(yīng)變）或撓度實(shí)測值與相應(yīng)的理論計(jì)算值之比，即：

式中，μ為沖擊系數(shù)。

橋活載設(shè)計(jì)值采用城-A級荷載，所得主橋主要測試工況、靜力試驗(yàn)測試項(xiàng)目及各控制截面的試驗(yàn)內(nèi)容見圖2～圖4。

圖2 各工況下測點(diǎn)最大彎矩荷載效率

圖3 各工況下測點(diǎn)撓度荷載效率

圖4 各工況下測點(diǎn)軸力荷載效率

橋梁的靜力試驗(yàn)效率不宜小于0.95，因橋?qū)儆阡撹旒芄皹颍Y(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，采用加載車集中加載方式的情況下各工況無法同時(shí)滿足荷載效率，故其中部分工況荷載效率低于0.95。

3.3 加載方案和測點(diǎn)布置

為保證靜力試驗(yàn)結(jié)果的有效性及可靠性，靜力試驗(yàn)最多選用了14輛300kN的三軸載重汽車。靜力試驗(yàn)車輛荷載布置分為中載和偏載兩種，靜力試驗(yàn)荷載加載過程采用逐漸增加車輛的方式進(jìn)行分級加載，共分三級加載。加載車輛在橋面的布置與分級加載順序如圖5～圖7和表1所示。

圖5 工況1加載布置（單位：m）

圖6 工況2加載布置（單位：m）

圖7 工況3加載布置（單位：m）

表1 分級加載順序表

為了直觀驗(yàn)證橋梁實(shí)際運(yùn)營中的工作狀態(tài)，利用實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比是較為合理有效的。撓度測點(diǎn)布置在試驗(yàn)跨最不利截面處，在橋梁中心線與上下游各布置至少一個(gè)測點(diǎn)，應(yīng)變測點(diǎn)布置在主梁、橫梁底部與拱肋處，選取上弦桿拱頂、L/4拱截面與下弦桿拱腳進(jìn)行測試。測點(diǎn)布置如圖8、圖9所示。

圖8 主梁及拱肋測點(diǎn)示意圖

圖9 主梁及橫梁測點(diǎn)示意

4 靜力試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力結(jié)果分析

橋靜力試驗(yàn)各工況下結(jié)構(gòu)實(shí)測值與計(jì)算理論值如圖10～圖12所示。根據(jù)圖10～圖12可知，橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比系數(shù)ζ介于0.76～0.96之間。工況1主梁最大實(shí)測應(yīng)力增加值為17.4MPa，理論增加值為19.2MPa；橫梁最大實(shí)測應(yīng)力增加值為34.5MPa，理論增加值為45.3MPa；拱頂最大實(shí)測應(yīng)力增加值為13.8MPa，理論增加值為15.8MPa。工況2主梁最大實(shí)測應(yīng)力增加值為15.4MPa，理論增加值為17.1MPa；橫梁最大實(shí)測應(yīng)力增加值為32.9MPa，理論增加值為36.3MPa；拱頂最大實(shí)測應(yīng)力增加值為11.9MPa，理論增加值為13.8MPa。工況3主梁最大實(shí)測應(yīng)力增加值為15.3MPa，理論增加值為17.4MPa；主梁負(fù)彎矩最大實(shí)測應(yīng)力增加值為19.2MPa，理論增加值為19.9MPa；橫梁最大實(shí)測應(yīng)力增加值為37.4MPa，理論增加值為42.4MPa；拱腳最大實(shí)測應(yīng)力增加值為14.6MPa，理論增加值為16.1MPa。分級加載時(shí)各應(yīng)力增加值均未超過理論值，且各應(yīng)力變化趨勢實(shí)測值與理論值都較為相符，全橋結(jié)構(gòu)受力性能較好，各測點(diǎn)應(yīng)力變化實(shí)測值與理論值趨勢較為吻合，說明橋梁實(shí)際受力情況與計(jì)算理論中受力情況相同。

圖10 工況1應(yīng)力實(shí)測值與理論值對比

圖11 工況2應(yīng)力實(shí)測值與理論值對比

圖12 工況3應(yīng)力實(shí)測值與理論值對比

4.2 撓度試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)靜力試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)測與理論計(jì)算分析值比較，作出結(jié)構(gòu)變形比較柱狀圖。橋梁靜力試驗(yàn)各個(gè)工況應(yīng)力測試結(jié)果見圖13～圖15。

圖13 工況1撓度實(shí)測值與理論值對比

圖14 工況2撓度實(shí)測值與理論值對比

圖15 工況3撓度實(shí)測值與理論值對比

根據(jù)圖13～圖15可知，橋跨結(jié)構(gòu)撓度對比系數(shù)ζ介于0.77～0.92之間。工況1橫梁最大實(shí)測撓度增加值為22.6mm，理論增加值為25.0mm；拱肋最大實(shí)測撓度增加值為8.3mm，理論增加值為9.2mm。工況2橫梁最大實(shí)測撓度增加值為16.6mm，理論增加值為19.0mm；拱肋最大實(shí)測撓度增加值為6.5mm，理論增加值為8.2mm。工況3橫梁最大實(shí)測應(yīng)力增加值為17.3mm，理論增加值為20.9mm；拱肋最大實(shí)測撓度增加值為6.1mm，理論增加值為7.2mm。分級加載時(shí)各撓度增加值均未超過理論值，且各撓度變化趨勢實(shí)測值與理論值都較為相符，橋跨結(jié)構(gòu)的剛度較好。各測點(diǎn)撓度變化實(shí)測值與理論值趨勢較為吻合，說明橋梁實(shí)際受力情況與計(jì)算理論中受力情況相同。

4.3 吊桿索力結(jié)果分析

據(jù)靜力試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)測與理論計(jì)算分析值比較，作出吊桿索力實(shí)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)值比較表格，是衡量橋梁實(shí)際剛度的重要數(shù)據(jù)。橋靜力試驗(yàn)各個(gè)工況吊桿索力測試結(jié)果及結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)見表2～表4。

表2 吊桿索力實(shí)測值與計(jì)算值對比 kN

表3 吊桿索力實(shí)測值與計(jì)算值對比kN

表4 吊桿索力實(shí)測值與計(jì)算值對比kN

根據(jù)表2～表4可知，橋跨吊桿索力對比系數(shù)ζ介于0.82～0.94之間。工況1吊桿索力最大值出現(xiàn)在跨中的D8吊桿，索力最大實(shí)測增加值為210.2kN，理論增加值為226.7kN；工況2吊桿索力最大值出現(xiàn)在跨中的D8吊桿，索力最大實(shí)測增加值為184.2kN，理論增加值為199.9kN；工況3吊桿索力最大值出現(xiàn)在1/4跨徑附近的D2吊桿，索力最大實(shí)測增加值為220.6kN，理論增加值為255.3kN；分級加載時(shí)各應(yīng)力增加值均未超過理論值，且各應(yīng)力變化趨勢實(shí)測值與理論值都較為相符，說明吊桿實(shí)際受力情況與計(jì)算理論中受力情況相同。

5 結(jié)語

橋在靜力試驗(yàn)荷載作用下，各工況控制截面的應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算理論值對比系數(shù)ζ介于0.76～0.96之間，說明結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與計(jì)算結(jié)果接近；撓度對比系數(shù)ζ介于0.77～0.92之間，說明結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度符合要求；索力對比系數(shù)ζ介于0.82～0.94之間，說明吊桿的受力狀態(tài)比較理想。根據(jù)靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，實(shí)測值與理論值變化趨勢較為吻合，說明結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與計(jì)算結(jié)果接近，該橋整體受力較好，結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)、承載能力及剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證了下承式鋼桁架拱橋在實(shí)際建設(shè)工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。