中承式鋼管混凝土桁架拱橋荷載試驗與結構總體評價

摘要：文章以重慶市高谷烏江大橋為工程實例，介紹了此類橋梁荷載試驗的一般方法，建立了該橋的有限元模型，并將各工況下計算所得理論值與實測值進行對比分析。荷載試驗結果表明，該橋動靜載性能良好，剛度和承載能力總體上滿足設計要求。

關鍵詞：拱橋； 承載力； 荷載試驗

中國分類號：U446.1A

［定稿日期］2023-02-10

［作者簡介］張磊（1989—），男，碩士，工程師，從事橋梁和市政結構設計工作。

0 引言

鋼管混凝土拱橋具有優越的力學性能，施工便捷，造型美觀，在我國已形成成套建設技術［1］。

掌握橋梁的實際承載能力和運營狀況，最有效的手段是進行荷載試驗［2］。本文以重慶市高谷烏江大橋為工程依托，通過靜動載試驗和有限元模型結果的對比分析，對實測數據進行校核和分析，驗證該橋剛度和承載能力能否滿足設計要求，分析過程和結果可為同類橋梁的設計、施工提供參考，為該類橋梁竣工驗收、運營和養護提供科學依據［3］。

1 工程概況

高谷烏江大橋位于國道319線彭水縣高谷鎮，該橋于1997年建成通車，使用至今已逾14年。高谷烏江大橋為150 m中承式鋼管混凝土桁架拱橋（圖1），矢跨比1∶5，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=1.347，吊桿間距5.07 m。橫向布置為17.2 m=2.1 m（人行道）+1.65 m（吊桿及拱圈區域）+0.35 m（防撞護欄）+9 m（雙向2車道）+0.35 m（防撞護欄）+1.65 m（吊桿及拱圈區域）+2.1 m（人行道）（圖2）；該橋荷載標準為：汽車活載為汽-20級、掛-100，人群荷載3.0 kN/m2。

2 有限元模型

采用橋梁有限元軟件MIDAS/Civil對高谷烏江大橋進行整體計算。有限元模型中，拱圈、主梁、墩采用2 841個空間梁單元模擬，拉索采用46個桁架單元模擬，主梁與拉索間采用彈性連接的剛性連接。該橋有限元模型如圖3所示。

3 靜載試驗

3.1 測點布置和試驗工況

結合中承式拱橋的受力跟結構特點，選擇主跨跨中（Y1、L1）、3/8跨（Y2、L2）、1/4跨（Y3、L3、DH1）和拱腳Y4作為試驗截面，根據表1工況擇優進行應變、撓度和索力增量觀測，其中Y1～Y3為拱圈截面，L1～L3為主梁截面，DH1為吊桿橫梁截面，其余為吊桿截面。控制截面位置見圖1，主梁撓度布置見圖2，拱圈應變和撓度布置見圖4。

依據高谷烏江大橋的設計荷載等級，現場采用雙軸重車（300 kN/輛）進行等效加載，按內力影響線布置車輛加載，每個工況分正載和偏載。受篇幅限制，本文不予給處具體布置圖示，主要試驗截面試驗荷載效率0.96～1.03（詳見表1）滿足規范要求，吊桿橫梁由于橋梁結構實際情況限制，試驗效率為0.78，略低于規范限值。

3.2 靜載試驗結果分析

3.2.1 應變測試結果

選取主拱圈跨中Y1截面在最大正彎矩工況（工況1）偏載的實測值進行分析，如圖5所示。試驗過程中，主拱的應變絕對值均未超限，實測值均小于理論值，校驗系數為0.37～0.90，均值為0.69，說明結構強度滿足設計要求。經計算，相對殘余應變最大為2%，未超過結構應變的20%，說明結構處于較好的彈性工作狀態。

3.2.2 位移測試結果

撓度測點布置如圖2所示，最大試驗荷載作用下偏載側撓度較大，部分主拱和主梁控制截面的偏載側撓度實測值和理論值如圖6所示，各試驗控制截面撓度均未超限，實測值小于理論值，撓度校驗系數范圍為0.31～0.77，相對殘余變位最大值15.9%，未超過結構變位的20%，該橋剛度滿足設計要求。

吊桿橫梁中間截面最大正彎工況（工況8）下，撓度觀測結果列于表2中。實測撓度小于理論值，校驗系數為0.35，相對殘余變位小于20%，吊桿橫梁剛度滿足設計要求。

3.2.3 最大索力增量測試結果

采用頻率法［4］加載測試索力增量。在試驗荷載作用下，最大索力增量測試結果見圖7。實測索力最大增量均小于相應理論計算值，校驗系數為0.61～0.99。

4 動載試驗

動載試驗主要通過環境脈動試驗和強迫振動試驗［5］，來測定橋梁的自振特性以及在車輛動荷載作用下的動力響應，從而獲得高谷烏江大橋的動力性能參數。

4.1 脈動試驗和基本動力特性

動載試驗主要測試橋梁結構的固有頻率、阻尼比和振型等動力特性。在橋位附近無規則振源以及橋面無任何交通荷載的情況下，采用隨機振動法測試橋梁結構由于橋址處風荷載、水流和地脈動等隨機荷載激振引起的微幅振動響應，以分析橋梁的動力特性。

通過將拾振器布置在結構振動關鍵部位（圖8、圖9）激發結構共振，記錄各部位的振幅與相位，對照各測點的振幅與相位即可繪制振型曲線。實測模態參數和理論值如表3所示。

橋梁主橋結構各階振動頻率實測值均分別大于其理論計算值，陣型一致。礙于篇幅限制，僅列出前兩階振型，如圖10、圖11所示。

4.2 強迫振動試驗和沖擊系數

通過無障礙行車和剎車試驗，測試主梁截面的動應變和沖擊系數。依據本次試驗目的及現場情況，采用1輛雙軸載重車（300 kN級）沿車行道中線以5、10、20、30 km/h勻速行駛通過全橋進行動力響應測試，并在30 km/h的速度下進行行車制動加載。

選取跨中和1/4跨共2個截面進行行車試驗（如圖8）。由于篇幅限制，僅列出J2截面30 km/h勻速跑車和30 km/h剎車工況下的動力響應曲線，如圖12、圖13所示。實測數據與動載試驗效率乘積得到實測最大沖擊系數，其中J1截面正彎沖擊系數為：0.080，J2截面正、負彎沖擊系數分別為：0.092、0.032。依據JTG D60-2004《公路橋涵設計通用規范》和《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》中的規定，實測最大沖擊系數0.092略大于相應理論計算值0.05，不滿足規范要求，在運營過程中應保證橋面鋪裝的平整度。

5 結束語

（1）在靜載作用下，高谷烏江大橋各測試截面實測應變值和位移值均小于理論計算值，各測點應變和位移校驗系數均滿足要求。表明該橋各結構部位均在理論計算范圍內工作，其強度和剛度滿足設計要求。所有測點相對殘余應變和殘余位移均小于規范允許值20%，說明結構處于良好的彈性狀態。

（2）在環境脈動試驗中，高谷烏江大橋實測自振頻率均大于理論計算值，說明該橋整體動力剛度偏大，滿足設計要求。在多速度的強迫振動工況下，部分結構實測沖擊系數略大于相應設計規范計算值，應保證橋面鋪裝平整。

參考文獻

［1］ 陳寶春，張夢嬌，劉君平，等.我國混凝土拱橋應用現狀與展望［J］. 福州大學學報（自然科學版）. 2021（5）.

［2］ 許君臣，劉全忠.中承式鋼管混凝土拱橋荷載試驗［J］. 吉林建筑大學學報， 2005， 22（04）：9-13.

［3］ 宋一凡.公路橋梁荷載試驗與結構評定［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［4］ 公路橋梁承載能力檢測評定規程： JTG/TJ21-2011［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］ 苑春艷.橋梁荷載試驗和模態分析［J］.世界橋梁，2002（2）：40-43.