基于橋梁荷載試驗的山區(qū)大跨徑拱橋橫向剛度研究

王 華, 宋 波, 張建仁, 彭建新

(1.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責任公司， 貴州 貴陽 550000； 2.湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015； 3.長沙理工大學 土木與建筑學院， 湖南 長沙 410114)

隨著橋梁施工技術(shù)及新型材料的不斷更新，大跨徑橋梁技術(shù)得到越來越多的發(fā)展。越來越多的新理論、新計算方法不斷融入到橋梁建設中[1-3]，各種形式的橋梁如雨后春筍般出現(xiàn)。各種類型的橋梁通過荷載試驗能夠客觀、準確地評價橋梁所處的狀態(tài)、實際結(jié)構(gòu)受力狀況和承載能力[4-6]，驗證設計計算結(jié)果，評價大橋在設計使用荷載下的結(jié)構(gòu)性能，為后續(xù)設計理念及材料選擇提供參考，同時可為橋梁使用階段的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和運營管理提供基本信息或參考依據(jù)。

1 橋梁概況

貴州省普定縣夜郎湖特大橋橋跨布置：全橋共三聯(lián)2×30m先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預制T梁+210m(凈跨徑)鋼筋混凝土箱型拱+3×30m先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預制T梁。主橋主拱圈采用單箱室截面，為目前國內(nèi)跨徑最大的單箱單室懸臂澆筑混凝土拱橋。橋面橫向?qū)挾葹?0.625m，主拱圈寬度7m(見圖1)。主橋拱上立柱(橫墻)采用支架現(xiàn)澆，兩岸對稱施工；主拱圈采用C55混凝土；引橋下部結(jié)構(gòu)橋臺采用樁柱臺、U臺，橋墩采用柱式墩，橋臺采用樁基礎(chǔ)，橋墩采用樁基礎(chǔ)。

圖1 主拱圈典型橫斷面布置圖(單位： cm)

2 靜載試驗

2.1 試驗內(nèi)容

本次靜載試驗工況下主要測試主梁撓度及主拱圈縱向應變變形。考慮到該橋為國內(nèi)單箱室最大跨徑拱橋，且未設置中隔板，本次增測主拱圈橫向應變及橋面橫向撓度參數(shù)，檢驗其主拱圈橫向剛度，綜合判斷該橋梁結(jié)構(gòu)力學性能是否滿足設計要求。

2.2 測試截面及測點布置

橋面撓度測試截面：在主跨每條測線共設7個撓度測試截面，共計2條測線，分別布置于兩護欄內(nèi)側(cè)0.1m處。本次撓度測試采用電子水準儀進行采集。

應力(應變)測試截面：應力測試截面共設3個，采用電阻式應變片，匹配DH3819靜態(tài)應變測試系統(tǒng)，應力測試截面的具體位置為：織金岸拱腳J1截面、拱腰J2截面、拱頂J3截面。測試截面及測點布置見圖2、圖3。

圖2 主橋撓度及應變測試截面布置圖(單位： cm)

圖3 主拱圈應變布置示意圖(單位： cm)

2.3 荷載試驗工況布置

結(jié)構(gòu)計算中按公路-Ⅰ級最不利布載，取控制截面最大彎矩作為試驗加載截面的控制值。靜力荷載試驗工況及各試驗加載截面的控制內(nèi)力見表1。

2.4 試驗結(jié)果

a. 主梁撓度。

工況5、工況6作用下各測點撓度滿載值見表2。表2中實測結(jié)果可知該橋在工況5中載作用下橫向效應比在0.96～1.04，在工況6偏載作用下橫向效應比在1.09～1.13。橫向未出現(xiàn)較大變形差，說明該單箱室截面拱橋橫向剛度滿足正常使用要求。從圖4分析可知，實測彈性撓度小于理論計算值，且相對殘余撓度小于20%，說明該單箱室截面拱橋整體剛度大于設計要求。

表1 主橋靜載試驗荷載效率Table 1 Load efficiency of main bridge under static load test加載工況加載項目試驗計算值/(kN·m)理論計算值/(kN·m)荷載效率備注工況1J1截面最大正彎矩中載(J1M+)25 046.6625 9260.9667車35 tJ2截面最大負彎矩中載(J2M-)-13 037.48-12 8411.015工況2J1截面最大正彎矩偏載(J1M+)25 046.6625 9260.9667車35 tJ2截面最大負彎矩偏載(J2M-)-13 037.48-12 8411.015工況3J1截面最大負彎矩中載(J1M-)-26 794.63-26 572.51.0086車35 tJ2截面最大正彎矩中載(J2M+)14 477.8315 009.90.965工況4J1截面最大負彎矩偏載(J1M-)-26 794.63-26 572.51.0086車35 tJ2截面最大正彎矩偏載(J2M+)14 477.8315 009.90.965工況5J3截面最大正彎矩中載(J3M+)10 992.8911 9470.9206車35 t工況6J3截面最大正彎矩偏載(J3M+)10 992.8911 9470.920

表2 工況5、工況6作用下?lián)隙葘崪y結(jié)果Table 2 Measured results of deflection under working con-ditions 5 and conditions 6測試位置工況5中載工況6外側(cè)加載外側(cè)彈性撓度/mm中央側(cè)彈性撓度/mm橫向效應比外側(cè)彈性撓度/mm中央側(cè)彈性撓度/mm橫向效應比F1-2.02 -2.03 1.00 -2.14 -1.95 1.10F2-1.04 -1.01 1.03 -1.11 -0.98 1.13 F33.87 3.81 1.02 3.98 3.54 1.12 F48.07 8.11 1.00 8.51 7.68 1.11 F52.97 3.05 0.97 3.13 2.88 1.09 F6-1.75 -1.691.04 -1.82 -1.61 1.13F7-1.98 -2.06 0.96 -2.11 -1.88 1.12 注: 表中數(shù)據(jù)相對殘余撓度均小于20%。

圖4 工況5、工況6作用下實測撓度與理論值對比圖

b.主梁應變。

各工況作用下主拱圈下緣應變實測值見表3。從表3及圖5中數(shù)據(jù)可知，中載工況下，橫向應變與縱向應變比值為0.18～0.19，偏載工況下橫向知，實測彈性應變平均值小于理論計算值，且相對殘余應變小于20%，說明該單箱室截面拱橋整體剛度大于設計要求。

表3 各工況作用下主拱圈下緣應變實測結(jié)果Table 3 Strain measurement results of lower edge of main arch ring under various working conditions 試驗工況測試截面縱向彈性應變平均值/μξ相對殘余應變/%工況1J14115.38工況2J1407.69工況3J23211.63工況4J2319.30工況5J31816.00工況6J31712.00應變理論計算值/μξ校驗系數(shù)/%橫向彈性應變平均值橫向應變/縱向應變5278.8570.185276.9280.204374.4260.194372.0970.212572.0030.192568.0040.21

圖5 工況1～工況6作用下實測橫向應變平均值與實測縱向應變平均值對比圖

應變與縱向應變比值為0.20～0.21，比值較小，且在混凝土泊松比正常范圍內(nèi)，說明該單箱室截面拱橋橫向剛度滿足正常使用要求。從圖6分析可

圖6 工況1～工況6作用下實測應變平均值與理論值對比圖

3 模態(tài)試驗

橋梁的動力特性，通常主要通過有限元計算和試驗模態(tài)分析兩種方法獲得。通過模態(tài)試驗得到橋梁的實測振型并與理論振型對比分析，分析并驗證橋梁結(jié)構(gòu)剛度的合理性。

本次橋梁豎向振型擬全橋選取7個測點，共7個斷面進行測量。每個測試截面只在中央側(cè)布置測點，共計7個測點詳細測點布置圖見圖7。

圖7 模態(tài)試驗截面布置圖(單位：cm)

模態(tài)測試實測振型圖與理論振型圖見圖8～圖13。

圖8 模態(tài)測試1階振型圖(f1=0.752 Hz)

圖9 理論計算1階振型圖(f1=0.64 Hz)

圖10 模態(tài)測試2階振型圖(f2=1.260 Hz)

圖11 左幅理論計算2階振型圖(f2=1.115 Hz)

由圖中分析可知，主拱圈前三階實測頻率均大于理論頻率，表明主拱圈實測整體剛度均大于設計剛度；主拱圈前三階振型中均為豎向彎曲，未出現(xiàn)橫向彎曲，表明該橋橫向剛度較好，該單箱室截面設計能滿足實際使用需求。

圖12 左幅模態(tài)測試3階振型圖(f3=2.568 Hz)

圖13 左幅理論計算3階振型圖(f3=2.026 Hz)

4 結(jié)論

基于橋梁荷載試驗對國內(nèi)跨徑最大的單箱單室懸臂澆筑混凝土拱橋橫向剛度進行研究，得出結(jié)論如下：

a.通過撓度橫向?qū)Ρ确治龅贸鲈谡d及偏載作用下橫向撓度未出現(xiàn)較大差值，且整體回復正常，主橋未出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)趨勢，表明橋梁橫向剛度滿足設計需求。

b.通過應變測試比較分析，主拱圈測點泊松效應在合理范圍，表明材料處于合理受力范圍，主拱圈剛度滿足設計要求。

c.通過模態(tài)分析對比，主拱圈橫向剛度較好，結(jié)構(gòu)實測整體剛度大于設計值，結(jié)構(gòu)能滿足實際需求。