連續(xù)鋼桁架拱橋靜載試驗(yàn)研究

尹培南

摘要：為了研究長(zhǎng)興縣中央大道杭寧高速跨線橋的技術(shù)狀況及承載能力的評(píng)定，通過測(cè)定結(jié)構(gòu)在靜荷載作用下控制截面應(yīng)力和變形，并與理論應(yīng)力和變形值比較，以評(píng)定橋梁的實(shí)際承載能力和剛度；運(yùn)用通用有限元軟件midas Civil建立有限元模型，，通過內(nèi)力包絡(luò)圖找出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力較大斷面，再通過影響線加載方法計(jì)算出相應(yīng)截面的理論應(yīng)力和變形。通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)的比較，橋梁技術(shù)狀況良好。

關(guān)鍵詞：連續(xù)鋼桁架拱橋；動(dòng)靜載試驗(yàn)；有限元

中圖分類號(hào)： TU997 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1試驗(yàn)橋梁概述

本橋鋼梁為40.7+100+40.7米三跨連續(xù)鋼桁拱橋，鋼梁全長(zhǎng)181.4米，兩側(cè)邊跨為平弦桁梁，中跨為剛性拱柔性梁的鋼桁拱橋，邊跨主桁桁式采用有豎桿的三角形桁式，主桁桁高9.5米，桁寬36.3米，節(jié)間長(zhǎng)度5米。以改善結(jié)構(gòu)受力條件，同時(shí)與鋼桁拱拱肋下弦勻順過渡連為一體，中跨鋼桁拱橋拱肋采用變高度N形桁架，中間支點(diǎn)處桁高17.2米（包括加勁腿高度），跨中拱肋桁高3米，拱頂至橋面高度20米，矢高27.5米（拱肋桁架中心距），矢跨比3.64，拱肋桁架上下弦拱軸線分別采用不同的圓曲線，上弦拱軸線與邊跨平弦軸線采用圓曲線勻順過渡，兩拱腳之間設(shè)鋼系桿，以承受拱肋產(chǎn)生的巨大水平力。拱肋與系桿之間采用吊桿連接，吊桿最大長(zhǎng)度20米。

鋼桁梁采用整體式節(jié)點(diǎn)，鋼梁支座采用鑄鋼球型滑板式支座。

加勁弦、拱肋下弦、平弦上下弦桿、中弦和拱肋上弦采用焊接箱型截面，截面高600～1040mm，外寬600～632mm，板厚16～32mm。

腹桿采用“H”型截面，截面高568mm，外寬240～560mm，板厚12～14mm。

系桿采用焊接矩形截面，截面高600mm，外寬600～632mm，板厚16～32mm。

橋梁橫斷面：0.3 m(欄桿)+ 4.5m(人行道) +1.3m(分隔帶) +4.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+1.6m(分隔帶)+22.5m（機(jī)動(dòng)車道）+1.6m(分隔帶)+ 4.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+1.3m(分隔帶) + 4.5m(人行道)+ 0.3 m(欄桿)=46.9m；

橋梁立面圖見圖1，主橋跨中斷面圖見圖2。

圖1主橋立面布置圖 (cm)

圖2主橋跨中斷面圖 (cm)

2靜載試驗(yàn)的理論計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果分析

2.1理論計(jì)算模型

采用midas Civil 8.05進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型見圖3。

圖3理論計(jì)算模型

2.2試驗(yàn)荷載

靜力試驗(yàn)荷載擬采用10輛重33噸的雙后軸載重汽車充當(dāng)加載車，加載車前軸平均重70kN，兩后軸平均重130kN，左右輪中心距離為1.80m。就某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目而言，其所需加載車輛的數(shù)量，將根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的該加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位等的最不利效應(yīng)值，按下式所確定的原則等效換算而得。

式中：—靜力試驗(yàn)荷載效率；

—試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位等的最大計(jì)算效應(yīng)值；

—設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載不計(jì)沖擊荷載作用時(shí)產(chǎn)生的該加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位等的最不利計(jì)算效應(yīng)值；

—設(shè)計(jì)計(jì)算取用的沖擊系數(shù)。

《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）中建議，靜力荷載試驗(yàn)效率η宜介于0.95~1.05之間。

2.3試驗(yàn)工況及加載位置

試驗(yàn)加載位置和加載車數(shù)量應(yīng)根據(jù)以下原則確定：

1）用盡可能少的加載車輛達(dá)到最合適的試驗(yàn)荷載效率；

2）在滿足荷載效率及達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康牡那闆r下，盡量簡(jiǎn)化加載工況；

3）前后加載工況應(yīng)互相兼顧，加載車輛合理調(diào)配。

為了防止試驗(yàn)期間對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷，就某一加載試驗(yàn)工況，其靜載試驗(yàn)分為分兩級(jí)或三級(jí)加載，并逐級(jí)卸載。加載方式為單級(jí)逐級(jí)加到最大荷載，然后逐級(jí)卸載至零荷載。

試驗(yàn)加載車輛采用總重33t的3軸加載車，如圖4所示。加載車試驗(yàn)前應(yīng)逐一稱重編號(hào)，總重誤差不得超過±1噸。

圖4 加載車輛示意（尺寸單位：cm）

與靜載試驗(yàn)內(nèi)容對(duì)應(yīng)，縱橋向按最不利位置布載；相應(yīng)的橫橋向有兩種工況（中載、偏載），偏載主要是為了尋求橫向分布的最不利狀態(tài)，確定偏載增大系數(shù)。靜載試驗(yàn)設(shè)6個(gè)工況：

1）工況一：中載作用下，中跨跨中截面處（即S1斷面）拱肋及橋面最大撓度，拱頂水平位移；跨中附近北面拱肋內(nèi)側(cè)上弦桿截面（即S2斷面）最大軸力；跨中北面內(nèi)側(cè)吊桿（即S3斷面）最大軸力；跨中中橫梁的跨中（即S4斷面）最大彎矩及剪力，共需6輛加載車；

2）工況二：偏載作用下，中跨跨中截面處（即S1斷面）最大撓度；跨中附近北面拱肋內(nèi)側(cè)上弦桿截面（即S2斷面）最大軸力；跨中北面內(nèi)側(cè)吊桿（即S3斷面）最大軸力；跨中中橫梁的跨中（即S4斷面）最大彎矩及剪力，共需6輛加載車；

3）工況三：中載作用下，主跨拱腳截面（即S5斷面）的北面拱肋內(nèi)側(cè)下弦桿最大軸力及拱頂水平位移；共需10輛加載車；

4）工況四：偏載作用下，主跨拱腳截面（即S5斷面）的北面拱肋內(nèi)側(cè)下弦桿最大軸力；共需10輛加載車；

5）工況五：中載載作用下，邊跨3L/8處（即S6斷面）橋面及拱肋撓度，北面拱肋內(nèi)側(cè)豎桿的應(yīng)變；共需6輛加載車；

6）工況六：偏載載作用下，邊跨3L/8處（即S6斷面）橋面及拱肋撓度，北面拱肋內(nèi)側(cè)豎桿的應(yīng)變；共需6輛加載車。

2.4靜載試驗(yàn)加載效率

各個(gè)工況最終試驗(yàn)加載效率見表1（實(shí)際加載中采用分級(jí)加載）：

表1主橋各中載工況靜載加載效率

2.4靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

各個(gè)加載工況下，控制截面的理論應(yīng)力、撓度、拱肋水平偏位值與相應(yīng)實(shí)測(cè)值對(duì)比分析見下表2：

表2各個(gè)測(cè)試斷面應(yīng)變和變位校驗(yàn)系數(shù)表

3結(jié)論

（1）主橋工況一~工況六控制截面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變均小于相應(yīng)的理論計(jì)算值；工況一應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均值：（S2截面0.84，S3截面0.78，S4截面0.95），工況二應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均值：（S2截面0.84，S3截面0.76，S4截面0.89），工況三應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均值：（S5截面0.72），工況四應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均值：（S5截面0.74），工況五應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均值：（S6截面0.54），工況六應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均值：（S6截面0.53），各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)及各工況應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均值滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》關(guān)于校驗(yàn)系數(shù)規(guī)定的范圍（小于1.0），這表明結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載力能滿足公路-Ⅰ級(jí)荷載使用要求，且有一定的安全儲(chǔ)備；試驗(yàn)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)殘余應(yīng)變均不大于20%，表明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下處于彈性工作狀態(tài)；中、偏載工況作用下受力較大一側(cè)拱肋的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)并未明顯偏大，荷載在兩拱肋間的分布合理，結(jié)構(gòu)橫向剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）主橋工況一～工況二各個(gè)測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)及各工況撓度校驗(yàn)系數(shù)均值滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》關(guān)于撓度校驗(yàn)系數(shù)的規(guī)定范圍（小于1.0）；各工況橋面撓度校驗(yàn)系數(shù)均值為0.90（S1截面）、0.46（S1截面），拱肋撓度校驗(yàn)系數(shù)均值為0.67（S2截面）、0.63（S2截面），拱肋水平偏位校驗(yàn)系數(shù)均值為0.63（S2截面）、0.59（S2截面）；試驗(yàn)孔結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度能滿足公路-Ⅰ級(jí)荷載使用要求，且有一定的安全儲(chǔ)備；試驗(yàn)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)殘余撓度均不大于20%，表明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下尚處于彈性工作狀態(tài)；中、偏載工況作用下受力較大一側(cè)拱肋的撓度校驗(yàn)系數(shù)并未明顯偏大，荷載在兩拱肋間的分布合理，結(jié)構(gòu)橫向剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）分級(jí)加載主橋結(jié)構(gòu)線性反應(yīng)表現(xiàn)明顯，相對(duì)殘余應(yīng)變均滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》關(guān)于相對(duì)殘余應(yīng)變的要求。

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