某提籃系桿拱橋成橋荷載試驗(yàn)研究

王 瑋

(鄭州工商學(xué)院，河南 鄭州 451400)

1 工程概況

該提籃系桿拱橋位于城市支路，規(guī)劃道路紅線13 m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度434.433 m。其中橋梁全長(zhǎng)為98 m，橫向布置為2.3 m(人行道)+2.0 m(分隔帶)+8.0 m(機(jī)動(dòng)車道)+2.0 m(分隔帶)+2.3 m(人行道)=16.60 m，橋面車行道橫坡度為2.0%，人行道橫坡度為1.0%，人行道外側(cè)設(shè)有護(hù)欄。橋梁設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)：城-A級(jí)，人群荷載：5.0 KPa。

橋梁上部結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土提籃系桿拱橋，屬于剛性系梁剛性拱，采用柔性吊桿，計(jì)算跨徑90 m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比1/4.5，矢高20 m，拱肋平面由鉛垂面內(nèi)傾8。，拱肋截面為啞鈴式鋼管混凝土截面。由兩個(gè)直徑90 cm鋼管和腹板組成，截面高度210 cm，將C50微膨脹混凝土填充于管內(nèi)，鋼管橫撐直徑為80 cm，壁厚為14 mm。主橋系梁采用鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，系梁截面采用矩形截面，截面高度2.0 m，截面寬度1.5 m?；A(chǔ)為承臺(tái)接樁基礎(chǔ)，而橋臺(tái)為一字式橋臺(tái)。每片拱肋由16根吊桿組成，材料為61絲直徑7 mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲索，吊桿間距5 m，PE護(hù)套橋面以上2 m高度外包裹不銹鋼材質(zhì)套管。橋面板采用實(shí)心板，板寬99 cm，厚25 mm，7根一字風(fēng)撐組成風(fēng)撐，并用外徑為80 cm的鋼管焊接為一體。主橋上部結(jié)構(gòu)的系梁、中橫梁以及端橫梁都是采用支架現(xiàn)澆而成，鋼管拱肋分段拼裝。

2 全橋有限元模型建立及結(jié)構(gòu)分析

為了解結(jié)構(gòu)的靜力性能，準(zhǔn)確制定試驗(yàn)加載方案，首先對(duì)本橋進(jìn)行了力學(xué)性能分析。本文采用有限元計(jì)算程序MIDAS/Civil2012建立空間有限元模型，并進(jìn)行受力分析，該橋的有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1 全橋Midas civil有限元模型示意圖

3 橋梁靜載試驗(yàn)

試驗(yàn)荷載采用正常使用極限荷載狀態(tài)所產(chǎn)生的控制截面的設(shè)計(jì)彎矩進(jìn)行確定，取設(shè)計(jì)活載效應(yīng)最大值作為該橋試驗(yàn)荷載的控制值。沖擊系數(shù)按照相關(guān)規(guī)范計(jì)算確定，結(jié)構(gòu)基頻通過(guò)有限元分析軟件計(jì)算確定。

3.1 主要試驗(yàn)工況及加載效率

加載方法是根據(jù)測(cè)試指標(biāo)的影響線進(jìn)行布載，使之滿足《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 233-2015)及《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)中規(guī)定的加載效率在0.85～1.05之間的要求。

表1 各試驗(yàn)工況下的荷載效率

3.2 靜載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

位移測(cè)試是進(jìn)行靜載試驗(yàn)測(cè)試的主要項(xiàng)目，位移測(cè)試測(cè)試結(jié)果如下所述。根據(jù)測(cè)試結(jié)果并結(jié)合《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 233-2015)及《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/TJ21-2011)的相關(guān)要求對(duì)試驗(yàn)跨整體的受力性能進(jìn)行相應(yīng)評(píng)價(jià)。

(1)控制截面撓度與應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與分析

表2 各試驗(yàn)工況下的荷載效率

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果可知，在不同的試驗(yàn)工況條件下，測(cè)試截面各個(gè)測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)均在0.64～0.75之間，都小于1，說(shuō)明該橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀況優(yōu)于理論狀況；撓度最大殘余比為4.78%，應(yīng)變最大殘余比為8.14%，都小于20%，這些都表明該橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果可知，該橋跨結(jié)構(gòu)的整體工作性能良好，承載能力滿足城-A級(jí)，人群荷載：5.0 KPa的設(shè)計(jì)要求。

(2)吊桿最大索力增量測(cè)試結(jié)果與分析

該橋在設(shè)計(jì)荷載作用下，產(chǎn)生最大拉力的吊桿為南側(cè)8#、9#吊桿。在工況1荷載條件下，吊桿索力理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比情況見(jiàn)表3及表4。

表3 工況1狀態(tài)下吊桿索力測(cè)試結(jié)果表

從表3可以看出：在工況1荷載條件下，吊桿索力增量實(shí)測(cè)校驗(yàn)系數(shù)為0.80～0.82，小于1，表明計(jì)算吊桿拉力增量與設(shè)計(jì)狀態(tài)相符，該橋結(jié)構(gòu)體系受力合理，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼比、沖擊系數(shù)都是動(dòng)力荷載試驗(yàn)的主要測(cè)試項(xiàng)目，動(dòng)力荷載試驗(yàn)的測(cè)試目的是研究橋梁整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，并判斷橋梁的實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況。

4.1 動(dòng)載測(cè)點(diǎn)布置

為了達(dá)到測(cè)試目的，全橋共用7個(gè)加速度傳感器，全部為V向，分別布置在橋跨結(jié)果一側(cè)的八等分截面處。而動(dòng)位移測(cè)試的測(cè)點(diǎn)則布置在橋跨跨中位置。

4.2 結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試結(jié)果與分析

采用環(huán)境激勵(lì)法采集數(shù)據(jù)，獲得測(cè)點(diǎn)信號(hào)的頻譜圖后，用傳遞函數(shù)法對(duì)選擇的頻率峰值進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，從而求得結(jié)構(gòu)的阻尼比、自振頻率及響應(yīng)的振型。本橋前階實(shí)測(cè)頻率與用有限元模型求得的理論自振頻率對(duì)比結(jié)果以及各階振型的實(shí)測(cè)阻尼比見(jiàn)表4。

從表4所列測(cè)試結(jié)果可以看出，該橋結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)振型與理論振型相符，前2階實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)固有頻率均大于理論計(jì)算頻率，這表明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度。該橋阻尼比在0.009 4～0.017之間，表明該橋阻尼比較大，結(jié)構(gòu)耗能較好。

表4 實(shí)測(cè)振型與理論振型對(duì)比表

4.3 沖擊系數(shù)結(jié)果分析

該橋在載重車在跑車及剎車工況作用下的動(dòng)力性能較好；在跳車工況條件下實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)為1.167，理論值為1.127，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)大于其理論值，這表明在不良路況條件下橋梁的沖擊系數(shù)會(huì)有較大幅度的增加，因此，為了避免橋面出現(xiàn)坑洼、破損等現(xiàn)象，做好行車橋面的養(yǎng)護(hù)，就顯得特別重要。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)該提籃系桿拱橋進(jìn)行成橋荷載試驗(yàn)，可以得出一些幾條結(jié)論。

(1)本次荷載試驗(yàn)各工況的荷載效率η值滿足《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 233-2015)及《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/TJ21-2011)中0.85≤η≤1.05的規(guī)定，滿足靜荷載試驗(yàn)的相關(guān)要求。

(2)該橋拱肋強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)要求，縱橫梁抗彎強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)要求，且上部結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，吊桿強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)荷載要求。

(3)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)自振頻率大于相應(yīng)的理論計(jì)算值，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)振型與理論振型相符，這表明目前結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)較好。