下承式組合梁系桿拱橋荷載試驗研究*

鄭曉龍 楊建榮 黃華 周強

(1.昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500； 2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 杭州 311122； 3.云南建投路面工程有限公司 昆明 650217)

0 引言

拱橋在我國道路工程中有廣泛的應用，其造型優(yōu)美、結構堅固，擁有優(yōu)于其他結構形式的跨越性和經濟性。在各種類型的拱橋中，系桿拱橋同時具備梁與拱的優(yōu)點，它將拱與梁結合起來共同承受荷載，充分發(fā)揮了拱肋受壓、主梁受彎的結構特性[1]。

大橋建成通車之前，需要對橋梁結構進行荷載試驗，確保工程可靠且能滿足使用需求，明晰其在實際應用中的狀態(tài)，同時為建立橋梁維護管理檔案提供力學參數[2]。本文以某下承式組合梁系桿拱橋為例，使用專業(yè)軟件Midas/Civil創(chuàng)建該橋的空間有限元模型，詳細介紹靜載試驗的測試方法，對比分析計算結果和實測結構響應(包括撓度、應變、索力、自振特性、沖擊系數)，評定該結構的承載能力和使用性能，為同類橋型的試驗提供參考。

1 工程概況

某下承式組合梁鋼箱系桿拱橋計算跨徑144 m，橋面寬22.8 m，整體結構如圖1和圖2。主橋拱肋由2片矩形鋼箱拱組成，矩形截面高2.0 m、寬1.56 m，拱肋向橋面中心線內傾10°，矢高在豎直面投影為23.0 m，矢跨比1/6.09，拱軸線為拋物線；兩拱肋通過5道箱型橫撐聯(lián)結，箱型截面高1.97 m，厚度均為16 mm；系桿長143.76 m，為全焊平行四邊形截面，截面高2.0 m，寬1.6 m；系桿間設置37道中橫梁，每兩道梁間距為3.75 m，且橫梁通過3道工字形縱梁連接，縱、橫梁頂面均設有剪力釘；吊桿采用高強低松弛鍍鋅鋼絲束，主橋縱橋向間隔7.5 m設置一根斜吊桿，與水平呈67°夾角傾斜，總計設置32對吊桿；橋面板為預制鋼筋混凝土板，通過縱、橫梁頂端的剪力釘與鋼梁結合形成疊合梁。設計荷載為城—A級。

圖2 橋梁總體布置平面圖(單位：m)

2 荷載試驗方案

2.1 靜力荷載試驗

靜載試驗是通過在橋跨主體特定位置施加載荷，觀測選定的橋跨測試截面在載荷作用下的應變和撓度，以推斷結構的工作狀態(tài)，檢驗結構的剛度、強度等主要參數是否與設計預期值相符[3]。遵循結構響應等效原則，分析選定試驗載荷大小和位置，使其與設計載荷能產生相等或接近的結構響應，與此同時，應當選取能保證結構安全的加載工況進行試驗[4]。通過對選定測試斷面在設計標準載荷下的軸力、彎矩和撓度等參數進行影響線分析，本次試驗選用8輛三軸載重汽車進行加載，車輛自身及配重砂土總重合計400 kN。

2.2 動力荷載試驗

動載試驗依據激振方法的差異，可以分為脈動試驗、跑車試驗和跳車試驗[5]。

脈動試驗是在橋梁結構空載情況下，借助高靈敏度傳感器和滿足頻率要求的數據采集系統(tǒng)對結構在環(huán)境隨機振動以及沖擊荷載激勵下所產生的動力響應進行足時數據采集。通過將采集到的時域信息數據進行頻譜分析，得出橋梁的幅值譜和相位譜，以此計算出該橋自振特性。橋梁的自振特性包含橋跨的自振頻率、振型以及阻尼比，其僅與橋梁的跨徑、結構形式、采用的材料等有關[6]。

跑車試驗是通過載重汽車在完好橋面上正常行駛的方式進行橋梁激振，測定不同車速下橋跨的動力響應。本次測試選用一輛總重為400 kN的車輛，先將其靜止于橋跨跨中測出靜態(tài)應變，然后以10、20、30 km/h的速度勻速行駛通過行車面，此間采集橋梁各點的動態(tài)響應來推導橋梁的沖擊系數。

跳車試驗與跑車試驗的實施方法基本相同，差異在于跳車試驗時，需在行車道上放置一個帶有坡面的三角橫木作為障礙物，通過車輪的下落對橋梁進行激振，測量在這一過程中產生的動應變峰值，進而計算出結構動力沖擊系數。兩種行車試驗使用相同的加載汽車和車速。

2.3 控制截面及試驗工況

根據系桿拱橋的受力特點，按照最不利受力原則選用主拱的拱腳、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4斷面和系桿的相應位置斷面作為應變及撓度的測試斷面，如圖3所示。并設置測試工況如下：工況1——拱頂斷面最大正彎矩(正載)；工況2——拱頂斷面最大撓度(偏載)；工況3——主拱拱腳最大負彎矩(正載)。

圖3 橋梁測試控制截面布置

各工況下加載車輛位置如圖4～圖6。

圖4 工況1試驗荷載布置(單位：m)

圖5 工況2試驗荷載布置(單位：m)

圖6 工況3試驗荷載布置(單位：m)

以保證試驗對結構無損傷為原則，所有工況的荷載均分為4級，逐級進行荷載施加，卸載與加載反向進行。

2.4 測點布置

根據選取的控制測試截面，分別在L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4拱腳截面設置應變測試斷面，沿主拱肋/系梁頂、底表面軸線方向安裝應變計，全橋共計安裝48個應變測點，測點位置如圖7。

圖7 應力測點布置

在外荷載作用下，結構應力改變的同時會產生變形，關鍵截面撓度可以較好地反映橋梁的變形情況。根據本次試驗的測試內容及控制截面的位置，全橋布置24個位移測點(如圖8)。

圖8 位移測點布置

動、靜載試驗的應力、撓度測點均一致。為測試結構自振特性，在橋面中心線上每隔L/4布設1個豎向加速度傳感器，共布設5個(如圖9)。試驗時在空載情況下，通過高靈敏度傳感器和滿足頻率要求的數據采集系統(tǒng)，對結構在環(huán)境隨機振動以及沖擊荷載激勵下所產生的動力響應進行足時數據采集。通過分析采集所得到的時域曲線，得出橋梁的響應頻譜圖，從而可得出其自振特性。通過設定基準測試點及試驗數據的處理分析可得出結構測試段的各階主要振型圖。

圖9 動力測點布置

3 理論計算

3.1 計算模型

以Midas/Civil軟件創(chuàng)建該橋梁的空間結構模型，拱肋、系桿以及系桿間縱、橫梁均采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬，行車道板采用板單元模擬。約束條件為行車道板兩側簡支、拱腳固結，吊桿和拱肋、系桿采用共節(jié)點連接，橋面板與橫梁采用彈性連接。全橋共建立1 926個節(jié)點，單元共有1 809個，計算模型如圖10。依據相關橋梁設計規(guī)范[4-6]的規(guī)定，對規(guī)范中各項指標進行核算，計算內容主要為規(guī)定下各性能參數的影響線及試驗選用荷載下的各性能參數值。

圖10 橋梁計算模型

3.2 靜載試驗效率系數

受限于實際情況，試驗載荷與設計載荷有細微差異，為了減小其影響，依據荷載效率系數ηq選取車輛載荷，優(yōu)化加載位置[7-9]。在竣工驗收試驗中，荷載效率系數ηq應為0.95～1.05，ηq按下式計算：

式中，Sstate為靜力試驗荷載作用下，檢測部變位或內力計算值；μ為按規(guī)范取用的沖擊系數；S為設計標準荷載作用下，檢測部位變位或內力計算值。

根據設計標準設計作用下與試驗加載的計算結果，得到了正載工況和偏載工況下的試驗荷載效率系數，詳見表1。從表中可以看出，控制截面的效率系數均介于0.95～1.05，符合上述規(guī)范的相關標準。

表1 各工況下的荷載效率系數

4 荷載試驗分析

4.1 撓度分析

在靜載試驗工況中各位移測點撓度值、撓度校驗系數和卸載后的相對殘余撓度結果如圖11～圖14，受限于篇幅，僅給出了部分撓度結果，從圖中可以看出：不同靜載試驗工況中的撓度校驗系數介于0.75～0.85，相對殘余變形最大僅為15%，小于規(guī)范限值的20%，表明結構的剛度能達到預期。

圖11 工況1系梁實測撓度及撓度校驗系數

圖12 工況2拱肋實測撓度及撓度校驗系數

圖13 工況3拱肋實測撓度及撓度校驗系數

圖14 相對殘余撓度

4.2 應力分析

橋梁荷載試驗中，應力根據實測應變計算得到。受篇幅限制，僅給出部分工況下拱肋的應力測試結果、應力校驗系數和卸載后相對殘余應力見圖15～圖20。從圖中可以看出：各應力校驗系數介于0.71～0.86，卸載后相對殘余應力最大值為12%，未超出規(guī)范允許值，這表明結構處于彈性狀態(tài)，結構的強度和剛度都達到設計需求。

圖15 工況1拱肋上緣應力及校驗系數

圖16 工況1拱肋下緣應力及校驗系數

圖17 工況3拱肋上緣應力及校驗系數

圖18 工況3拱肋下緣應力及校驗系數

圖19 上緣相對殘余應力

圖20 下緣相對殘余應力

4.3 索力分析

索力測試應在試驗開始前，測試全橋32對吊桿在橋梁空載時的索力，試驗加載過程中，僅測試對應工況下靠近加載位置的吊桿索力，前后索力差值即為活載作用下的吊桿索力增量[10]。不同加載情況下的索力增量結果與校驗系數見表2。分析表2可得：不同工況下，吊桿活載索力增量與模型計算值基本一致，校驗系數介于0.75～0.86，表明吊桿構件強度滿足橋梁整體要求。

表2 各工況吊桿索力增量測試結果

4.4 自振特性

利用該橋的空間分析模型，計算出橋梁的各階模態(tài)和頻率，前3階橋梁自振頻率見表3。結合現(xiàn)場實測頻率和阻尼比可得：橋梁前3階固有頻率都略高于模型推導結果，說明該橋梁剛度較大；阻尼比最大可達2.4%，表明結構的耗能能力優(yōu)秀。

表3 橋跨結構自振頻率及阻尼比

4.5 沖擊系數

本次動載試驗中，通過布置在橋梁結構中的動態(tài)應變測點，在跑車試驗和跳車試驗過程中實時采集瞬時應變值，繪制出橋梁的動應變時程曲線，并通過動態(tài)應變峰值計算出其沖擊系數[11]。經計算，不同沖擊方式作用下，橋梁結構的沖擊系數為1.036～1.196，沖擊系數測試結果詳見表4。綜合表中數據可知，橋跨結構沖擊系數實測值都低于設計值，這說明橋面平順，有利于行車。

表4 橋梁沖擊系數(1+μ)的測試值

5 結論

本次試驗依據結構最不利受力原則，測試橋梁在加載試驗下的各種響應。本次試驗荷載效率系數介于0.95～1.05，表明本次測試客觀有效，能較好模擬橋跨結構在最不利狀況的響應。將試驗測試結果與理論計算值進行比較，有如下結論：

(1)該橋撓度校驗系數介于0.75～0.85，最大撓度值54.96 mm，未超過L/600的規(guī)范要求[4-6]，應力校驗系數介于0.71～0.86，橋梁結構的強度、剛度達到設計預期；卸載后各測試指標歸零情況正常，相對殘余應力最大為12%，相對殘余變形最大15%，均低于規(guī)范限值20%的要求，證明橋跨結構處于彈性階段，受力性能良好。索力校驗系數介于0.75～0.86，活載索力增量和理論計算趨同，表明該橋受力特性與理論相符，具有良好的整體受力性能。

(2)該橋動力測試數據顯示，橋梁固有頻率實測值都略高于模型推導值，證明橋梁剛度較大；沖擊系數均低于設計值，工作性能良好。

(3)橋跨結構靜動力測試結果表明，下承式組合梁系桿拱橋受力明確，整體性能好，具有較大的結構剛度，在實際工程應用中具有較好的發(fā)展前景。