大跨飛燕式異型拱橋試驗研究

王國安，李德慧

(1.石家莊鐵道大學土木學院，石家莊 050043;2.江西交通科學研究院，南昌 330036)

1 工程概況

章江大橋位于江西贛州，連接西岸章江新城和東岸河套老城，由西岸引橋，章江主橋、東岸引橋組成，全長1 352 m，設計荷載為城-A級，雙向六車道。章江大橋的引橋為預應力混凝土連續(xù)箱梁;主橋采用了3跨飛燕式異型拱橋的結(jié)構(gòu)形式。主橋的總長為254 m(48 m+158 m+48 m)，橋面總寬達到了34 m(2.75 m人行道+11.75 m行車道+5 m拱肋區(qū)+11.75 m行車道+2.75 m人行道)，下部構(gòu)造4個橋墩，20號、23號為交接墩，21號、22號為主墩橫橋向V形框架結(jié)構(gòu)、墩頂設系梁連接，橋墩基礎采用梅花形布置群樁基礎。主橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 章江大橋主橋結(jié)構(gòu)立面(單位:cm)

章江大橋主橋為飛燕式異型拱橋，主跨達158 m，主拱鋼管直徑為1.8 m，鋼管厚度為26 mm。章江大橋工程總投資3.1億元，2007年11月29日開工建設，于2010年1月31日竣工。鑒于該異型鋼管拱橋跨度和主拱鋼管直徑都較大，為了獲取該飛燕式異型拱橋真實的工作狀態(tài)和實際的受力性能，竣工后對大橋進行了靜、動載試驗和相關(guān)分析。

2 試驗目的與測試內(nèi)容

章江大橋主橋是國內(nèi)少見的大跨度飛燕式異型拱橋，受力比較復雜，因此必須在成橋后通過試驗測定橋梁在荷載作用下的力學響應，并進行分析對比理論結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)，判斷試驗荷載下結(jié)構(gòu)的靜力受力性能和動力性能，進而判定在實際使用狀態(tài)下，大橋的承載能力是否符合設計要求［1～3］，從而為橋梁的正常使用提供指導，并為同類橋梁的設計、施工和驗收評定提供參考。

靜力荷載試驗測試內(nèi)容主要是測試橋梁控制截面在試驗荷載下應力和變形;而動力荷載試驗研究內(nèi)容主要有:豎向動位移、動應變、測定橋梁的沖擊系數(shù)、自振頻率、阻尼特性等參數(shù)［4～5］。

3 靜力加載試驗

3.1 靜力加載方案設計

為了合理布置測點和確定試驗荷載車輛的布置，在加載試驗前對該異型拱進行了有限元建模計算，建模時考慮要滿足小變形假定，所以未計入普通鋼筋及預應力鋼筋對截面慣性矩增強的作用，且未考慮收縮徐變以及混凝土材料非線性對結(jié)構(gòu)的影響［6～7］，鋼箱梁和混凝土箱梁采用Shell63單元，主拱和斜拱采用beam44單元，吊桿采用Link8單元模擬，有限元計算模型如圖2所示。經(jīng)過分析研究，靜載試驗荷載采用18輛350 kN左右的重車(選用了自卸重車)，且試驗前對橋梁進行了預壓，經(jīng)計算本次試驗荷載效率見表 1［8］。

圖2 飛燕式異型拱有限元模型

表1 靜載試驗荷載效率

從表1可以看出，試驗加載效率滿足《大跨度混凝土橋梁試驗方法》要求。靜力加載試驗主要是為了測試結(jié)構(gòu)控制截面的靜應變、靜撓度，判斷橋梁的實際工作狀況是否符合設計要求或處于正常受力狀態(tài)，因此必須合理布置測點。經(jīng)過有限元計算分析，最終確定了如下的應變測點布置。在主跨L/2的鋼箱梁截面共布置28個測點:頂板和底板各布置9個測點，左右腹板各布置5個測點，如圖3(a)所示。在邊跨L/2截面和21號墩頂?shù)幕炷亮航孛婀膊贾?5個測點:頂板和底板各布置5個測點，第三片腹板沿腹板高度布置5個測點，如圖3(b)所示。而撓度測點的布置如下:在主拱與吊桿相交主拱的中心線位置布置16個菱鏡，測定主拱的變形;在21、22號墩的拱腳位置設置1個拱腳位移觀測點，測定拱腳水平位移;另外，沿順橋方向還布置了3列撓度測點(每列17個測點)，左右列位于行車道邊緣，中列位于橋面中心線位置［10］。

圖3 靜載應變測點布置

3.2 靜力試驗結(jié)果

根據(jù)該飛燕式異型拱橋的結(jié)構(gòu)形式，在試驗過程中采用以下6種工況進行加載:主跨跨中截面鋼箱梁最大正彎矩對稱加載、外側(cè)偏載;邊跨跨中控制截面主梁最大正彎矩對稱加載、外側(cè)偏載;21號墩墩頂截面最大負彎矩對稱加載、外側(cè)偏載。由于試驗中采用了偏載和對稱2種加載方式，因而可以同時測試橋梁的偏載工作性能和對稱工作性能。從實測結(jié)果可以得出，1～6工況下加載試驗得到的應力和撓度實測值均小于理論計算值，校驗系數(shù)均大于0.8，且應力和撓度的變化規(guī)律與理論分析吻合良好，這表明測點的布置方案是科學合理的，有限元分析得到的結(jié)果也是符合橋梁結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)的，因篇幅所限這里只給出了工況2(主跨跨中截面鋼箱梁最大正彎矩外側(cè)偏載)下，主跨鋼箱梁跨中截面梁底的應力和橋面撓度的測 試結(jié)果［8］，如表2所示。

表2 工況2下主跨鋼箱梁跨中截面測點測試結(jié)果

4 動力加載試驗

4.1 動力加載方案設計

為了測試飛燕式異型拱橋的動力性能，經(jīng)過分析研究，試驗共考慮了如下的4種試驗工況。(1)跑車試驗:在橋面無任何障礙的情況下，用2輛載重汽車(左右幅各1 輛)分別以10、20、30、40、50 km/h 勻速通過橋梁，測定試驗橋跨結(jié)構(gòu)在運行車輛荷載作用下的動力響應(動位移及動應變時程曲線);(2)跳車試驗:2輛載重汽車(左右幅各1輛)在邊跨L/2截面和中跨L/2截面處各設置高15 cm的障礙物，以車速5 km/h駛過障礙物，通過障礙后立即剎車，測定橋跨結(jié)構(gòu)在跳車作用下的動力響應(動位移及動應變時程曲線);(3)剎車試驗:2輛載重汽車(左右幅各1輛)以20 km/h在中跨L/2截面處立即斜向剎車，測定試驗橋跨結(jié)構(gòu)在剎車作用下的動力響應(動位移及動應變時程曲線);(4)模態(tài)試驗:測量橋梁固有振動(自振頻率、振形、阻尼比)。

激振試驗(不同車速跑車、跳車、急剎車)試驗在橋上總共布置了如下的8個傳感器和4個動應變測點:48 m邊跨的L/2截面布置豎橋向傳感器;在158 m中跨的L/2截面處布置豎橋向、橫橋向、縱橋向傳感器;在中跨L/4和3L/8截面處布置豎橋向、橫橋向傳感器;此外，還在中跨L/2截面鋼箱梁的左幅頂板、底板和右幅頂板、底板處分別布置了動應變測點。測點的總體布置如圖4所示。采用模態(tài)振動試驗方法來測量橋梁結(jié)構(gòu)的振動參數(shù)。模態(tài)試驗是通過自然激勵作用下橋梁結(jié)構(gòu)的振動速度信號分析，測量橋梁結(jié)構(gòu)固有振動(自振頻率、振型、阻尼比)，模態(tài)振動試驗共布置了106個測點:中間的小拱圈上均布了18個測點，在兩側(cè)的大拱圈各均布了44個測點［9～10］。

圖4 動力試驗測點布置示意

4.2 動力試驗結(jié)果

動力試驗采用如上所述的激振試驗(不同車速跑車、跳車、急剎車)，表3所列數(shù)據(jù)為跑車試中在各車速下各測點的最大動位移值［8］，同時也測得了邊跨跨中和中跨跨中截面動位移時程曲線和動應變時程曲線，因篇幅所限這里只給出了50 km/h速度下的動位移時程曲線和動應變時程曲線，如圖5所示［8］。

表3 跑車試驗工況下的實測最大動位移值 μm

在邊跨和中跨L/2截面處，試驗車以5 km/h的剎車試驗，以及20 km/h下中跨L/2截面處剎車試驗，測得測點的動位移見表4［4］。

表4 跳車試驗工況下的實測最大動位移值 μm

圖5 50 km/h下跑車試驗結(jié)果

當車輛以一定速度通過橋跨或在跨中以一定的速度越障時，將引起橋梁的振動，從而使橋梁結(jié)構(gòu)在靜應力的基礎上承受較大的動應力，動撓度也比相同條件的靜載撓度大。這種動荷載對應力和撓度增大的影響，通常采用沖擊系數(shù)來衡量。沖擊系數(shù)的大小綜合反映了橋跨結(jié)構(gòu)的動力性能、橋面平整度及運行車輛的動力特性、車速等因素的影響。因此沖擊系數(shù)往往成為確定車輛載荷對橋梁動力作用的重要參數(shù)。

動載試驗中測試動應變時，產(chǎn)生的沖擊系數(shù)(1+μ)的計算公式如下

式中 Smax——動載作用下該測點最大動應變值;

Smean——相應的靜載荷作用下該測點最大應變值，其值可由動應變曲線求得:Smean=(Smax+Smin)/2，其中，Smin為與 Smean相應的最小應變值。各種工況下實測沖擊系數(shù)［8］見表 5。

表5 各種工況下實測沖擊系數(shù)

從表5可看出，當車速在0～50 km/h時，試驗橋跨沖擊系數(shù)隨著車速增大而增大，且剎車工況下沖擊系數(shù)測值比跑車工況(0～50 km/h)大。依據(jù)《城市橋梁設計荷載標準》(CJJ77—98)，該橋邊跨沖擊系數(shù)的設計值為1.156，中跨沖擊系數(shù)的設計值為1.100，故橋梁在10～50 km/h車速跑車工況下實測沖擊系數(shù)均小于設計值，剎車工況下實測沖擊系數(shù)略大于設計值，表明橋面比較平順。

在進行加載試驗前對飛燕式異型拱橋建立了有限元分析模型，3個拱圈采用beam44梁單元模擬;吊桿采用Link8單元模擬，且拉索考慮了防腐護套質(zhì)量;主梁采用Shell63板單元模擬，截面取實際截面參數(shù)，通過調(diào)整主梁材料密度來考慮橋梁二期恒載對動力性能的影響。成橋內(nèi)力狀態(tài)以施工監(jiān)控報告為準進行調(diào)整，使模型的成橋內(nèi)力狀態(tài)與施工監(jiān)控報告描述吻合。大橋?qū)崪y振動頻率與理論計算頻率及對應阻尼比結(jié)果見表6［8］，大橋?qū)崪y各階振動與理論振動結(jié)果如圖6所示，中跨跨中截面振動頻譜分析如圖7所示［8］。

表6 實測各階實測頻率與理論計算頻率

圖7 中跨L/2截面振動頻譜分析

5 結(jié)論

通過對該異型拱橋試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到結(jié)論如下。

(1)對該大跨飛燕式異型拱橋試驗，觀測到試驗跨段最大加載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的力學反應，并與理論計算進行比較，可以判斷試驗跨段結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律及內(nèi)力分布規(guī)律與理論吻合較好;且在試驗過程中混凝土梁部分也見出現(xiàn)肉眼可見的裂縫，這表明橋梁靜力性能較好。然而試驗同時表明該橋存在一定的偏載效應，故在運營過程中，盡量避免出現(xiàn)長時間單側(cè)滿載情況發(fā)生。

(2)動載試驗結(jié)果表明:橋跨在各車速下的沖擊系數(shù)均小于設計限值，表明該飛燕式異型拱整體上動力性能比較好，但在剎車實測沖擊系數(shù)略大于設計值;另外從實測數(shù)據(jù)卡已看出跳車動位移更大。因此建議實際本橋使用中，過橋車輛橋上行駛時要速度均勻，載重合適，防止急剎車情況過多出現(xiàn)，這樣有利于橋梁保持較好的技術(shù)狀態(tài)。

橋梁結(jié)構(gòu)各階振動實測阻尼比為0.249%～2.536%，在正常范圍內(nèi)，說明大橋結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布與截面設計合理，結(jié)構(gòu)無明顯的嚴重病害;且大橋主拱側(cè)彎及面內(nèi)豎彎各階實測振動頻率與理論頻率的比值大于1.10，說明大橋主拱側(cè)向抗彎剛度及橋梁結(jié)構(gòu)整體豎向抗彎剛度達到設計要求。

(3)本橋靜力、動力試驗數(shù)據(jù)，是橋梁竣工實測基礎數(shù)據(jù)，試驗效果較好，可作為橋梁“指紋”基礎技術(shù)資料使用，日后可作為本橋健康監(jiān)測橋梁狀態(tài)判定基準和本橋長期使用受力性能下降分析的基礎對比資料。

［1］李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動［M］.北京:中國鐵道出版社，1992:306-323.

［2］陳寶春.鋼管混凝土拱橋的設計與施工［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［3］胡大琳.橋涵工程試驗檢測技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［4］徐日昶合編.橋梁檢驗［M］.北京:人民交通出版杜，1989.

［5］胡大琳.能量法求拱的自振頻率［J］.西安公路學院學報，1983，43(L):150-162.

［6］交通部公路科學研究所.大跨度混凝土橋梁試驗方法［Z］.北京:交通部公路科學研究所，1982.

［7］吳 波，陳祥寶.彎板拱橋曲厚殼元靜力分析及試驗研究［J］.武漢城建學院學報，1989，8(S):43-45.

［8］劉紅生，李德慧，等.章江大橋試驗檢測報告［R］.南昌:江西省交通科學研究院，2010.

［9］交通部公路科學研究所，交通部公路局技術(shù)處，公路規(guī)劃設計院.大跨徑混凝土橋梁的試驗方法［R］.北京:交通部公路科學研究所，1982.

［10］趙新生，張俊平，孫卓，等.中山二橋橋梁檢測報告［R］.廣州:廣州大學，2005.