運營多年鋼管混凝土拱橋荷載試驗分析

楊 濤 代 攀

(云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，云南 昆明 650011)

運營多年鋼管混凝土拱橋荷載試驗分析

楊 濤 代 攀

(云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，云南 昆明 650011)

以樂山市金口河大橋為例，通過全橋有限元模型的建立，對該中承式鋼管混凝土拱橋進行了荷載試驗分析，試驗結(jié)果表明該橋具有足夠的剛度和強度儲備，但是橋面T梁的橫向連接較弱。

鋼管混凝土，拱橋，荷載試驗，校驗系數(shù)

1 工程背景

樂山市金口河大橋是一個主跨175 m的中承式鋼管混凝土拱橋。拱軸線性為懸鏈線，采用鋼管混凝土桁架拱，同一拱肋上下層采用鋼管連為整體，橫向兩個拱軸之間采用K撐和米撐相連。為了防止腐蝕和洪水沖刷，起拱點和第一個吊桿之間的拱肋外包C40混凝土。

吊桿中心間距為11.2 m，橫向兩吊桿之間采用H形橫梁相連，橫梁之間的橋面板采用簡支T梁。該橋的每根吊桿在加固后由1根變?yōu)?根，附加的2根吊桿對稱分布在原吊桿兩邊，由錨箱連為整體。

2 金口河大橋的有限元分析

金口河大橋為典型的中承式鋼管混凝土拱橋，主梁和拱肋協(xié)同受力。通過Midas Civil 2010建立全橋有限元模型，對剛度、邊界條件和自重的模擬力求盡可能地接近真實的橋梁結(jié)構(gòu)[1]。模型包含H形橫梁、T形縱梁、拱肋、撐桿、橋墩和吊桿，除了吊桿采用桁架單元外，其余構(gòu)件均采用空間梁單元進行模擬。全橋模型共計2 974個單元，其中梁單元2 848個，桁架單元126個。

3 靜力荷載試驗

靜力荷載試驗包含靜應(yīng)變荷載測試和靜撓度測試。通過對全橋進行計算，得出了設(shè)計活載下的內(nèi)力和撓度影響線及包絡(luò)圖。

計算結(jié)果表明：拱腳附近截面(A—A)、T梁跨中截面(D—D)、橫梁跨中截面(E—E)最大正彎矩較大，同時拱腳附近截面的最大負(fù)彎矩也較大；1/4拱肋(B—B)、1/2拱肋(C—C)最大軸力較大。應(yīng)對以上關(guān)鍵截面進行荷載試驗，根據(jù)橋梁的對稱性，荷載試驗僅在半跨橋梁上進行。

采用標(biāo)準(zhǔn)重載卡車等效設(shè)計荷載。本次試驗的效率系數(shù)在0.95～1.03之間，滿足規(guī)范中效率系數(shù)應(yīng)該在0.95～1.05之間的要求[2- 4]。各工況效率系數(shù)如表1所示。

表1 各工況效率系數(shù)

4 動載試驗

4.1 自振特性測試

在封閉交通以后以及橋梁旁邊無任何振源的情況下，測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋位處的隨機荷載激振而引起的橋梁結(jié)構(gòu)微幅振動響應(yīng)。脈動試驗的目的是為了得出橋梁本身的固有模態(tài)頻率和臨界阻尼比。

4.2 激振響應(yīng)測試

動載試驗包含跳車試驗和跑車試驗兩部分。跑車試驗在封閉交通后，保證橋面順暢通行沿橋梁中心方向采用1輛載重汽車在規(guī)定的速度(5 km/h,10 km/h，…，40 m/h)下通過橋跨結(jié)構(gòu)，從而測量橋跨結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和沖擊系數(shù)。跳車試驗荷載方法與跑車試驗相同，只需在橋跨結(jié)構(gòu)試驗截面內(nèi)力影響線峰值對應(yīng)的橋面位置設(shè)置障礙物(高8 cm、底寬28 cm的三角形斷面)，以達(dá)到模擬橋面系局部損傷狀態(tài)，從而測定橋跨結(jié)構(gòu)在橋面存在病害狀態(tài)時的動力響應(yīng)和沖擊系數(shù)。

5 靜載試驗結(jié)果

5.1 撓度測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果，各工況的撓度校驗系數(shù)在0.60～0.88之間，在合理范圍內(nèi)，說明橋梁具有足夠的剛度儲備。

5.2 應(yīng)力測試結(jié)果

根據(jù)應(yīng)力測試結(jié)果與理論計算結(jié)果對比，應(yīng)力校驗系數(shù)為0.4～0.91，在合理的范圍內(nèi)，說明橋梁工作性能良好，具有足夠的強度。然而橋面板各片T梁的應(yīng)力校驗系數(shù)值離散性較大，結(jié)合該橋的病害檢測分析，說明T梁的橫向聯(lián)系較弱，橋面板的整體性較差。

6 動載試驗結(jié)果

試驗包含行車試驗和跳車試驗兩部分。不同車速下B—B截面(1/4拱肋)的沖擊系數(shù)如表2所示。

表2 B—B截面的沖擊系數(shù)

試驗結(jié)果表明，試驗截面(B—B)截面沖擊系數(shù)最大值為1.20，對應(yīng)車速約40 km/h，實測行車沖擊系數(shù)介于1.07～1.20之間；試驗截面(B—B)跳車沖擊系數(shù)最大值為1.24，對應(yīng)車速約20 km/h，實測跳車沖擊系數(shù)介于1.13～1.24之間。與同類型橋梁相比，該橋橋跨結(jié)構(gòu)的激振響應(yīng)正常。

7 結(jié)語

本次荷載實測試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合較好，說明有限元模型能夠較好地模擬橋梁的真實受力情況。通過對實測結(jié)果的分析可以看出，本橋具有足夠的強度和剛度儲備，滿足設(shè)計要求。實測的阻尼比數(shù)值合理，自振頻率略高于理論值，說明該橋動力性能較好。然而橋面板各片T梁的應(yīng)力校驗系數(shù)值離散型較大，同時結(jié)合橋梁病害檢測的分析結(jié)果說明T梁的橫向聯(lián)系較弱，橋面板整體性較差。

[1] 嚴(yán) 猛.大跨度系桿拱橋地震響應(yīng)分析[D].成都:西南交通大學(xué),2011.

[2] YC4—4/1982，大跨徑混凝土橋梁試驗方法[S].

[3] 諶潤水,胡釗芳.公路橋梁荷載試驗[M].北京:中國交通出版社，2003.

[4] JTG/T J21—2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

The load test analysis on steel pipe concrete arch bridge operation for many years

Yang Tao Dai Pan

(YunnanCommunicationsPlanningandDesignInstitute,Kunming650011,China)

Taking the Leshan Jinkou River Bridge as an example, through the whole bridge finite element model supervision, this paper made load test to half-through steel pipe arch bridge, the test results showed that the bridge had enough stiffness and strength reserves, but the transverse connection of bridge T beam was weak.

steel pipe concrete, arch bridge, load test, calibration coefficient

2014-12-15

楊 濤(1984- )，男，碩士,工程師； 代 攀(1982- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)06-0159-02

U442

A