提籃式系桿拱橋承載能力評定研究

李 燦

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

提籃拱橋不是橋梁形式的定義，而是把系桿拱橋中主拱圈橫向內(nèi)傾，并以橫梁連接橋身，側(cè)面酷似提籃提手的下承式拱橋的稱呼。其特點是拱的矢高很大，可以有效地利用拱的特性向基礎(chǔ)分散拱的內(nèi)力，主體基本上不承受彎矩和剪力[1]。從受力上劃分，可以分為3種：主拱圈獨立受力、主拱圈與梁共同受力、主拱圈為裝飾不參與主梁受力。

1 工程概況

該橋主橋為（25+86+25）m中承式鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)，主墩采用拱座接承臺式墩。橋梁設(shè)計荷載等級公路Ⅰ級，橋面凈寬為12 m。為增加橋梁整體穩(wěn)定性，有利于橋梁結(jié)構(gòu)抗震，主拱肋向橋軸中心線傾斜10°，而成“提籃式”拱。

主拱圈投影面的計算矢高為21.5 m，邊拱拱肋的計算跨徑為49.96 m，計算正投影面的計算矢高為6.5 m，主、邊拱肋均向橋面中心線處傾斜10°；主拱、邊拱拱軸線均采用二次拋物線；拱肋截面均為蠶繭型，拱頂處拱肋高為1.6 m漸變至拱腳高度為2.6 m，壁厚δ=16 mm的鋼管和鋼腹板焊接組成，內(nèi)灌C50微膨脹混凝土。主拱拱肋設(shè)置5道工型鋼橫撐。

橋面吊桿OVM.GJ15-17鋼絞線成品索，吊桿與吊桿之間距離為5 m；在靠近拱腳附近的2根吊索下端設(shè)置弧形鉸，以減小吊索附加內(nèi)力。吊索上下導(dǎo)管口均設(shè)置一個防振圈，吊索頂部蓋板為焊接。

圖1 主橋立面布置圖

圖2 主橋跨中斷面圖

2 結(jié)構(gòu)評測

在進行建模分析前先要對橋跨結(jié)構(gòu)的外觀進行檢測，以便對主拱、主梁及吊桿等構(gòu)件的工作狀況有一個初步的掌握。接下來根據(jù)檢測所得信息對橋跨結(jié)構(gòu)進行整體性評價。外觀檢測主要內(nèi)容包括：線性測量，主要是主橋面的高程；結(jié)構(gòu)的各種部件的幾何尺寸和主要部件的尺寸細節(jié)；結(jié)構(gòu)表面損傷和結(jié)構(gòu)變形。

本文中主橋標高線形測量選擇精密水準儀進行，進而分析出橋面鋪裝的縱向線形。橋面線形測量控制點布置情況見圖3。

圖3 橋面線性測量測點布置圖

橋面線形測量結(jié)果如表1所示。

表1 橋面線形測量結(jié)果分析表 cm

圖4 橋梁縱斷面線形圖

由表1及圖4可以看出，大橋施工完成后橋面縱向線性順直，橋面各個控制點標高與設(shè)計吻合很好。每個測量點的測量值和設(shè)計值之間的絕對差值為4.94 cm（右測量點7），橋面板的縱向線形狀很好。由圖4可以看出，無論左側(cè)還是右側(cè)，在3號、7號點（約L/4）高程實測值與設(shè)計值偏差相對較大（約5 cm左右）。

3 受力分析

檢查橋梁后，根據(jù)檢查結(jié)果在主橋上進行加載試驗，加載效應(yīng)控制內(nèi)力或撓度一般為最不利活載產(chǎn)生內(nèi)力或撓度。加載后測量相應(yīng)應(yīng)力和撓度，對結(jié)果進行對比分析，確定橋梁應(yīng)力狀態(tài)，進而評估橋跨結(jié)構(gòu)的承載能力。靜載試驗基于荷載效應(yīng)相等的原則，測量結(jié)構(gòu)加載后的反應(yīng)，如應(yīng)力、撓度等。根據(jù)測量數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)承載水平。在結(jié)構(gòu)震動形態(tài)中可測得橋梁動力特性及外力動荷載下的響應(yīng)。

3.1 建立模型

目前，混凝土填充鋼管的材料特性主要有兩種不同的處理方法。第一種是將混凝土填充的鋼管拱肋轉(zhuǎn)換成相同的材料：或者是鋼，或者是混凝土。對于混凝土的套箍效應(yīng)，一些設(shè)計單位采用提高混凝土等級的方法來考慮提高強度；二是將混凝土填充鋼管作為新材料，彈性模量取綜合彈性模量。這種選用方式是將混凝土與外層套箍鋼管等量成一種材料。

本文在建模計算時采用第一種是將混凝土填充的鋼管拱肋轉(zhuǎn)換成相同的材料。理由如下：外層套箍鋼管處于彈性狀態(tài)時，泊松比保持較為恒定，一般在0.25和0.30的范圍之間。而拱肋中混凝土材料的泊松比則是隨著應(yīng)力變化而發(fā)生變化的，一般在應(yīng)力增大時從0.167變?yōu)?.5，在超過混凝土抗壓極限后，泊松比甚至可以大于0.5。這也就意味著鋼管混凝土拱肋不是一種典型的復(fù)合材料[2]。本次使用Madis Civil建模進行計算。

圖5 計算模型

3.2 試驗內(nèi)力分析

本橋靜載試驗荷載效率見表2：工況一～工況七分別為主拱跨中斷面中載最大正彎矩、主拱跨中斷面偏載最大正彎矩、1/4主拱位置最大正彎矩中載、1/4主拱位置最大正彎矩偏載、主拱起拱線最不利負彎矩中載、主拱起拱線最不利負彎矩偏載、邊跨跨中最不利負彎矩。

表2 主橋各工況靜載加載效率表

3.2.1 吊桿索力分析

表3 主橋系桿撓度工況分級加載實測數(shù)據(jù)分析表

從表3中數(shù)值可以看出主橋系桿撓度校驗系數(shù)均在0.61～0.98之間，系桿在承受荷載時有足夠剛度，說明其滿足設(shè)計要求。

3.2.2 吊桿索力

表4 實測吊桿索力數(shù)據(jù)分析表

從表4中數(shù)值可以看出，實際測量所得的吊桿索力與吊桿設(shè)計索力數(shù)值吻合較好。由于短吊桿邊界條件的不確定性以及測量難度的加大，使得所測索力與理論索力有一定的出入，故測試數(shù)據(jù)沒有可用性[3]。綜上說明索力控制較好。

3.2.3 模態(tài)及振型

本橋動載試驗理論計算，計算結(jié)果如表5所示。

表5 主梁前5階自振頻率

圖6 主橋1階振型圖（橫向）

圖7 主橋2階振型圖（豎向）

圖8 主橋3階振型圖（橫向）

圖9 主橋4階振型圖（豎向）

圖10 主橋5階振型圖（橫向）

由圖6～圖10可知主橋模態(tài)表現(xiàn)為主拱整體橫向震動，1階振型為結(jié)構(gòu)受外荷載最容易激發(fā)的震動形式，故在吊桿索力較大或者超張拉的情況下，拱肋可能存在失穩(wěn)的風(fēng)險；2階振型為橋面豎向彎曲，車輛荷載的沖擊會加劇此種振型的幅值；5階振型為橋面的橫向彎曲，此振型發(fā)生在橫向荷載作用下，一般為橫向風(fēng)荷載作用下，但此階振型需要能量較高不容易激發(fā)。

4 結(jié)論

通過以上計算分析及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可得以下結(jié)論：

a）索力測試應(yīng)引起重視，在提籃式系桿拱橋中吊桿平面與橋平面不垂直，會在橫梁中產(chǎn)生橫向內(nèi)力，且索力超張拉后極易引起橋梁失穩(wěn)。

b）鋼管混凝土拱肋中混凝土填充存在不密實脫空等現(xiàn)象，合理確定主拱肋內(nèi)力布設(shè)試驗荷載的大小。

c）在進行振型與頻率分析時，拱橋與梁式橋不同，震動基頻并不能直接反應(yīng)結(jié)構(gòu)的剛度。