中山市歧江三橋橋梁靜動載試驗研究

張永厚，張永峰

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京100081;

2.中國鐵道科學研究院 鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，北京 100081)

1 基本情況

1.1 工程概況

中山市歧江三橋位于中山市博愛路，跨越歧江水道，主橋為41 m+125 m+41 m中承式無風撐式鋼筋混凝土系桿拱橋(如圖1所示)，過渡孔為27.5 m預應力混凝土組合式簡支箱梁，東西兩側引橋分別為10×16 m和12×16 m先張法預應力混凝土空心板梁，橋梁總長617 m，橋面寬度為40 m。主車道為雙向六車道，外側設非機動車道和人行道。

1.2 設計標準

荷載等級:汽超—20，掛—120，人群—3.5 kPa。

設計車速:80～100 km/h。

圖1 中山市歧江三橋主橋結構圖(單位:cm)

1.3 主橋結構形式

主橋結構形式為中承式無風撐式鋼筋混凝土系桿拱橋，中孔矢跨比為1∶5，邊孔矢跨比為1∶11.14，拱肋軸線為二次拋物線，拱肋截面為矩形鋼箱，僅內外腹板間灌注C30混凝土，肋寬均為2.5 m，肋高按二次拋物線變高，中孔肋高為2.5～3.5 m，邊孔肋高為2.0～2.5 m。主橋兩側共設吊桿36根，立柱20根，間距為 5 m，每根吊桿由199φ 5 mm高強度低松弛預應力鋼絲形成扭紋形截面，錨具采用冷鑄墩頭錨。主橋系桿采用20束12φ 15.24 mm高強度低松弛預應力鋼絞線，錨具為QMl5－12型錨，系桿在主橋范圍內用鋼盒包裹。橋面系由鋼縱梁、橫梁及鋼筋混凝土槽形板組成，每兩根吊桿吊一根橫梁，每兩根橫梁之間設39塊槽形板，主橋基礎為鉆孔灌注樁，樁徑為φ 1.8 m和φ 1.2 m兩種。

2 試驗內容和測點布置

2.1 靜載試驗

靜載試驗包括結構變形觀測和截面應力測試，測試方法及測點布置如下所述:

1)結構變形觀測

① 撓度:在橋跨南側跨中、四分點、八分點防撞欄上布置測點，北側跨中、四分點處防撞欄上布置測點，用高精度全站儀觀測橋梁在各級荷載作用下的撓曲線。

② 拱頂橫向位移:在兩個拱肋拱頂安裝測點，測試各級荷載作用下拱頂?shù)臋M向偏位。

③ 吊桿伸長量:在南側拱肋跨中吊桿布置測點，用百分表測試跨中吊桿的伸長量。

④ 橋墩位移:在主跨南側兩端的橋墩上布置測點，測試墩頂?shù)目v向水平位移及沉降。

2)應力測試

在南側拱肋的拱腳、拱頂、四分點及北側拱肋的拱頂和拱腳5個主要截面布置測點，測試各級荷載作用下的截面應力。應力測試采用進口高精度、抗干擾能力強的鋼鉉式應變計。

2.2 動載試驗

通過動載試驗確定橋梁的動力效應及使用條件，包括測定橋梁的動力特性如自振頻率、振型阻尼系數(shù)等;測定橋梁在車輛動載作用下的強迫振動響應，如振幅、動應力、動撓度和沖擊系數(shù)等。動載試驗內容包括:①行車試驗:單輛車和兩輛并行車分別以10～80 km/h的速度通過橋梁，測試橋梁的動應變、動撓度和振動響應。②跳車試驗:單輛車在橋梁跨中截面處越過高10 cm的三角墊木，測試橋梁的垂直振動響應。③脈動試驗:測試結構在環(huán)境振動下的微小振動響應，分析橋梁的自振特性(自振頻率、振型阻尼特性)。

3 加載內容和加載圖式

加載內容主要有三項:①拱頂截面最大內力加載;②拱腳截面最大內力加載;③拱肋四分點截面最大內力加載。

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3.1 拱頂截面最大內力加載

用6臺30 t重車按圖2所示位置按四級加載逐級遞加至最大設計荷載:①I級加載加1#、2#車;②Ⅱ級加載再加3#、4#車;③Ⅲ級加載再加5#車;④Ⅳ級加載再加6#車。卸載一次全卸。

圖2 拱頂截面最大內力加載圖式(單位:m)

3.2 拱肋四分點截面和拱腳截面最大內力加載

由于拱肋四分點截面和拱腳截面最大內力影響線形狀相似，所以將這兩個截面的加載調整到一起一次完成。加載按圖3所示位置，分四級逐級遞加至最大設計荷載:①Ⅰ級加載加7#、8#車;②Ⅱ級加載再加1#、2#、3#車;③Ⅲ級加載再加 4#、5#車;④Ⅳ級加載再加6#號車。卸載一次全卸。

經(jīng)計算得三個截面的荷載效率系數(shù)如表1所示，表1數(shù)據(jù)反映荷載效率系數(shù)滿足試驗規(guī)范要求。

表1 三個主要測試截面荷載效率系數(shù)

4 靜載試驗結果及分析

4.1 結構變形觀測

1)撓度:試驗中測試了在各種加載工況下橋面的撓曲線?，F(xiàn)給出由南側橋面布置的撓度測點繪出的拱頂截面最大內力試驗加載時橋面板的撓曲線，同時給出在此工況下的計算撓曲線，如圖4所示。

圖4 拱頂截面最大內力加載時橋面板撓曲線

從圖4可以看出，實測撓曲線與計算撓曲線形狀完全一致，只是數(shù)值大小的差異，橋面撓度校驗系數(shù)為0.44，屬于正常范圍。

2)拱頂橫向位移:在拱頂截面最大內力加載時，南北兩側拱頂實測橫向位移分別為0.5 mm和0.2 mm。由于偏心加載的原因，南側拱肋橫向位移要大于北側，而且同時向南偏移，數(shù)值與理論計算值0.574 mm相近。

3)吊桿伸長量:在拱頂截面最大內力加載工況中，測得南側拱肋跨中吊桿的伸長量為4.7 mm。理論計算這一工況下吊桿伸長量為7.7 mm，校驗系數(shù)為0.61，屬于正常范圍。

4.2 結構內力測試

圖5給出了各個加載輪位作用下，主拱各主要截面的應變和應力測試結果。試驗結果表明，主拱各主要截面在各級荷載作用下應變呈線形關系，同級荷載下的截面應變呈線形分布，應力幅值也不大，說明應力分布較均勻，受力比較合理。從拱肋應力狀態(tài)來看，其處于線彈性工作狀態(tài)，結構受力滿足設計要求，有足夠的安全保證。

圖5 各種加載工況下拱肋主要截面的應變分布

5 動載試驗結果及分析

5.1 行車試驗分析

行車試驗的主要目的是測試拱頂及1/4拱肋處動應力，橋梁跨中、1/4、3/4跨處垂直振動及拱頂?shù)臋M向振動。行車試驗先采用單輛車從一側行車方向以15～40 km/h的速度往復行駛，再采用兩輛車并排以相同速度往復行駛。實測拱頂及1/4拱肋處的動力系數(shù)K值如表2所示，實測橋梁跨中、1/4、3/4跨處垂直振動與速度的關系如圖6所示。

表2 不同速度下拱頂及1/4拱肋處的動力系數(shù)K值

1/4拱肋 1.197 1.284 1.26l 1.19l 1.187 1.186 1.163 1.152實測結果表明，兩輛車并排行駛引起的橋梁振動幅值和動力系數(shù)要比單輛車行駛時小，其原因是，一方面由于試驗車輛為30 t自卸車，其動力性能比較差，另一方面說明橋梁的自振頻率較低，低頻振動模態(tài)較多，與試驗車輛有耦合作用。

圖6 實測橋梁跨中、1/4、3/4跨處垂直振動振幅與速度關系

5.2 橋梁自振特性分析

橋梁自振特性主要通過跳車試驗和脈動試驗來分析，通過跳車試驗的余振波形和脈動試驗的分析，用自功率譜分析得出某一測點處的自振頻率;通過互功率譜分析得出結構的振動模態(tài)，最后得出橋梁結構的自振特性，如表3所示。

表3 橋梁結構的自振特性 Hz

6 結論

通過對中山市歧江三橋靜動載試驗的測試及結果分析，可以得出如下結論:

1)實測橋面撓曲線與計算撓曲線形狀完全一致，只是數(shù)值大小的差異，撓度校驗系數(shù)為0.44，屬于正常范圍。

2)實測南、北兩側拱頂橫向位移在拱頂截面最大內力加載時分別為0.5 mm和0.2 mm，與理論計算值0.574 mm接近。

3)跨中吊桿相對伸長量在拱頂截面最大內力加載工況下為4.7 mm，理論計算值為7.7 mm，校驗系數(shù)為0.61，屬于正常范圍。

4)各種加載工況下墩頂位移的最大值僅0.9 mm，說明兩側拱腳處墩柱的剛度很大，足以抵抗水平推力的作用。

5)通過對拱肋主要截面的應變測試與分析可知，在各種加載工況下，各截面應變沿高度呈線性分布，最大內力加載工況下應力值不大，且分布較均勻，拱肋處于線彈性工作狀態(tài)。

6)結合對橋梁結構動力性能的分析，認為中山市歧江三橋受力狀態(tài)是合理的，橋梁結構安全儲備較大，拱肋處于線彈性工作狀態(tài)，可繼續(xù)安全運營。

［1］劉羽宇，葛玉梅，高玉峰，等.廈門 BRT一期工程鋼箱梁橋靜動載試驗研究［J］.鐵道建筑，2010(3):7－10.

［2］鐵道科學研究院佛山院.中山市沙崗立交橋靜動載試驗報告［R］.佛山:鐵道科學研究院佛山院，1999.