大跨度鋼管混凝土系桿拱橋靜載試驗研究

王立新WANG Li-xin

（衡陽市城市建設(shè)投資有限公司，衡陽421000）

0 引言

鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)形式新穎，施工工序復(fù)雜，一般在工程竣工后，通過荷載試驗，對橋梁的整體性能、施工質(zhì)量和實際承載能力進(jìn)行全面評價，為橋梁竣工驗收和質(zhì)量評定提供科學(xué)依據(jù)，并為橋梁后期的使用條件和管理養(yǎng)護(hù)提供參考建議[1]。

1 工程概況

衡州大道跨京廣鐵路立交主橋采用剛架式鋼管混凝土系桿拱橋，主橋長172m，吊索段橋面寬28.6m。其設(shè)計荷載為：城市－A級，不考慮人群荷載[2]。主拱拱肋采用等截面鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)1.05，矢跨比為1/4.5。主橋設(shè)20對吊桿。每片拱肋各設(shè)10根可換索式鋼絞線系桿，橋面系采用懸吊體系，由鋼橫梁、鋼縱梁、橋面預(yù)制板及現(xiàn)澆層組成鋼-混組合結(jié)構(gòu)。

每片拱肋桁架上、下弦桿由四根φ800×14mm的鋼管及平聯(lián)綴板組成，腹桿采用φ273×12mm的鋼管，腹桿內(nèi)不灌注混凝土。根據(jù)橫向穩(wěn)定的需要，鋼管混凝土兩主拱肋之間設(shè)置了7道“一”字形橫撐，橫撐內(nèi)不填充混凝土。

2 靜載試驗

2.1 結(jié)構(gòu)模型 采用通用軟件MIDAS/Civil建立了空間有限元模型。拱肋空鋼管采用梁單元，鋼管內(nèi)混凝土采用施工聯(lián)合截面法進(jìn)行模擬，全橋共包含2811個單元，1630個節(jié)點。

2.2 試驗工況 結(jié)合鋼管混凝土系桿拱橋的受力特點與該橋?qū)嶋H施工、使用情況，選擇了墩底、拱頂、1/4拱肋截面作為應(yīng)力控制截面，分別確定為工況1、工況2、工況3，靜載試驗工況、測試內(nèi)容見表1。

桁架型鋼管混凝土拱橋中，主拱拱肋是由弦桿、平聯(lián)板和腹桿組合而成，在其有限元模型中，以兩根上弦桿與平聯(lián)板組合建立上拱肋單元，以兩根下弦桿與平聯(lián)板組合建立下拱肋單元，上、下拱肋單元通過腹桿連接形成主拱拱肋。由于主拱拱肋是由上、下兩部分組成，故有限元模型只能夠求出對應(yīng)的上、下拱肋的截面內(nèi)力，而不能夠求出主拱拱肋的截面內(nèi)力。

首先由上述有限元模型，求出各工況測點處的應(yīng)力影響線。再按照橋梁設(shè)計荷載，利用重型車輛進(jìn)行等效加載。由此確定各工況車輛布置情況，對于車輛布置最多的工況1，進(jìn)行分三級加載，各工況車輛加載數(shù)量見表1。由于篇幅限制，本文并未給出各工況車輛布置的具體位置[5、6]。

靜力荷載試驗效率按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）中第8.1.2節(jié)進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表1。

表1 試驗荷載布置表

2.3 測點布置 該橋橋面撓度布置10個測點，分別選取橋面兩端部、L/4、L/2、3L/4截面作為撓度測試面，南北側(cè)各5個測點。

選取墩底、北側(cè)拱肋的兩拱腳、L/4、L/2、3L/4截面作為應(yīng)變測試截面，墩底應(yīng)變計布置于內(nèi)外兩側(cè)，拱肋截面則在上弦桿與上平聯(lián)板上緣布置應(yīng)變片。

3 靜載試驗結(jié)果分析

3.1 撓度測試結(jié)果 各工況實測撓度值與理論值對比見表2。全橋?qū)崪y橋面向下最大撓度-52mm，小于相應(yīng)理論值-58mm。實測拱頂向下最大撓度-28，小于相應(yīng)理論值-33。對于三個工況中校驗系數(shù)均小于1，橋梁的實際狀況要好于理論狀況。

3.2 應(yīng)變測試結(jié)果 由于本次試驗應(yīng)變計布置較多，拱肋上的每個測點均布置了3個應(yīng)變計，主墩上的每個測點布置了6個應(yīng)變計，受篇幅限制，分別列出了墩底、拱肋、拱腳應(yīng)變最大值以及對應(yīng)工況，見表3。橋墩、拱肋實測應(yīng)變均小于理論值，校驗系數(shù)在0.8以上，符合規(guī)范要求。墩底截面與主拱拱肋截面各測點應(yīng)變校驗系數(shù)均小于1，橋梁實際應(yīng)力狀況要好于理論狀態(tài)。

表2 橋面撓度實測值與理論值比較

表3 實測最大應(yīng)變值

3.3 吊索索力 為了檢驗吊索的工作性能，采用索力動測儀對吊索索力進(jìn)行測試。根據(jù)張力弦振動公式：式中：F——吊索的自振頻率；L——吊索的長度；ρ——吊索的材料密度；δ——吊索的拉力。

由此可知，明確了吊索的材料和長度之后，測量吊索的振動頻率就可確定吊索的拉力。

工況2滿載時跨中吊索同時處于最不利狀態(tài)，實測跨中吊索索力為72.7噸，略大于理論計算值72.2噸，兩者基本吻合，實測值偏大，故該橋在后期使用過程中應(yīng)注意加強對吊索的防護(hù)。

4 結(jié)語

通過本文分析，對于桁架型鋼管混凝土拱橋，其拱肋上的控制截面不能夠通過內(nèi)力影響線進(jìn)行等效加載，需采用應(yīng)力影響線進(jìn)行等效加載。

在試驗荷載作用下，橋面撓度變形、墩底應(yīng)變、拱肋應(yīng)變、吊索索力實測值與理論計算值均大致相等，檢驗系數(shù)基本滿足相關(guān)要求，且除吊索索力外，實測值均小于理論計算值，說明該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，主墩、主拱、吊桿強度、剛度滿足設(shè)計要求，說明結(jié)構(gòu)處于較好的彈性工作狀態(tài)。

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].北京：人民交通出版社,2007:519-533.

[2]建設(shè)部城市建設(shè)研究所.城市橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

[3]鮑衛(wèi)剛.橋梁承臺樁基礎(chǔ)柔度的模擬[J].華東公路,1992（5）:16-17.

[4]交通運輸部公路科學(xué)研究院.公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5]陳昀明,韋建剛,陳寶春.泉州百崎湖大橋靜動載試驗分析研究[J].公路工程,2009（34）5:104-108.

[6]楊勇,張俊平,李永河,梅力彪.某多跨PC連續(xù)梁橋靜動載試驗分析[J].廣州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2012（11）1:58-63.