非對(duì)稱鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋靜載試驗(yàn)研究

潘海結(jié) （合肥工大工程試驗(yàn)檢測(cè)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230009）

1 引言

橋梁靜載試驗(yàn)是為了了解橋梁工作狀況并對(duì)其整體的施工和受力情況進(jìn)行檢測(cè)，以此來(lái)判定整體的承載力及使用狀況，檢查其承載能力、結(jié)構(gòu)變形和正常工作狀況是否符合設(shè)計(jì)要求。靜載試驗(yàn)是指在試驗(yàn)荷載下，通過(guò)受控截面應(yīng)變、位移或裂縫的檢測(cè)來(lái)分析和判定橋梁的狀態(tài)。雖然靜載試驗(yàn)存在時(shí)間長(zhǎng)、成本高、運(yùn)輸不便等劣勢(shì)，但無(wú)論是新橋（特別是新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝、大跨徑）的交竣工驗(yàn)收檢測(cè)，還是現(xiàn)有橋梁的承載力評(píng)估，荷載試驗(yàn)都發(fā)揮著不可替代的重要作用[1-3]。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 加載原則

試驗(yàn)荷載的大小和加載位置的選擇采用靜載試驗(yàn)效率系數(shù)ηd進(jìn)行控制，在交竣工驗(yàn)收載荷試驗(yàn)中，新橋驗(yàn)收效率系數(shù)應(yīng)控制在0.85～1.05 之間，老橋鑒定效率系數(shù)控制在0.95～1.05 范圍內(nèi)[4-5]：

2.2 加載方案

為保證橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)的順利進(jìn)行、檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)可靠，必須采取科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募虞d、卸載方法，并按順序遞增、逐步減小。在正式加載之前，應(yīng)先對(duì)試驗(yàn)橋梁進(jìn)行預(yù)加載，以便對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行處理。建議在溫度變化不超過(guò)2～3℃的時(shí)段進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度測(cè)試，靜力測(cè)試的持續(xù)時(shí)間原則上是由結(jié)構(gòu)的變形達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間決定的，在結(jié)構(gòu)的變形達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，然后再進(jìn)行下一階段的載荷測(cè)試[6-7]。

2.3 測(cè)試截面

靜載試驗(yàn)應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的主要受控部分來(lái)進(jìn)行，而系桿拱橋的試驗(yàn)斷面主要有主拱最大內(nèi)力、吊桿最大拉力、最大縱梁內(nèi)力等[8-10]。

2.4 測(cè)點(diǎn)布置

鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋靜載試驗(yàn)的主要內(nèi)容有主拱、縱梁的豎向變形觀測(cè)、應(yīng)變觀測(cè)，吊桿的索力檢測(cè)，裂縫監(jiān)控等。

3 工程概況

某跨河非對(duì)稱鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋跨徑組合為（50+135+45）m，全長(zhǎng)230m，為全鋼拱橋結(jié)構(gòu)，橋型為三跨連續(xù)無(wú)推力拱橋，主要受力構(gòu)件包括兩個(gè)邊拱和一個(gè)中拱，并與一個(gè)風(fēng)柱相連。為了獲得較好的視覺(jué)效果，在中、側(cè)拱上采用了不同的矢跨比。北岸的拱腳延伸至下地基，輔以斜撐與拉桿，構(gòu)成剛性連接結(jié)構(gòu)。而南岸拱腳與梁體剛接時(shí)，拱的水平力由鋼橋面板來(lái)平衡。主要結(jié)構(gòu)是鋼箱形拱肋、風(fēng)撐、縱橫梁、鋼橋面板、環(huán)氧噴涂并聯(lián)鋼索等。橫斷面布置為2.5m（人行道）+3.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.5m（邊拱吊桿區(qū)）+15.5m（機(jī)動(dòng)車道）+5.0m（中拱吊桿區(qū)）+15.5m（機(jī)動(dòng)車道）+2.5m（邊拱吊桿區(qū)）+3.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.5m（人行道），全寬為53.0m。

橋面系為縱梁系統(tǒng)，全橋有四個(gè)主縱梁，主縱梁與拱肋位置相對(duì)應(yīng)。橫斷面為倒梯形箱梁，中間縱、邊縱橫梁寬1.8m、高2.2m，在斜拉處進(jìn)行局部加高加固以滿足結(jié)構(gòu)的受力要求。橋面系在靠近墩承臺(tái)的位置，機(jī)動(dòng)車道及非機(jī)動(dòng)車道分離，形成局部鏤空，以便拱腳插入。

橫梁順橋向布置以3m 為基本間距，局部根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。車行道下橫梁和人行道下橫梁均為工字型截面，高度從邊縱梁向橋邊呈弧線變化，橋梁的高度為0.4m。主橋端部、拱梁連接、主橋連接樓梯等部分的橫梁均為箱形截面，并進(jìn)行了加固。橋面系頂板為U 形正交變截面板，其頂面與公路橫向縱坡基本相符。

主跨拱包括三個(gè)單獨(dú)的拱門，中間拱位于中間分隔帶，邊拱位于機(jī)動(dòng)車道和非機(jī)動(dòng)車道之間。鋼箱拱肋的形狀為立體弧形，特別是邊拱，在平面上的投影也是一條弧線，它是從機(jī)非隔離帶向橋面的過(guò)渡。在此基礎(chǔ)上，中跨拱軸與梁身之間的最大距離為19.80m，采用倒梯式箱形截面，標(biāo)準(zhǔn)斷面上寬2.46m，底板寬1.40m、高2.00m。

邊跨拱軸與梁體之間的距離最大為27.5m，根據(jù)受力和外貌的要求，邊拱的長(zhǎng)度范圍為2.2～2.8m，中間部分的邊拱包括兩個(gè)上拱箱和一個(gè)下拱箱，在吊桿和風(fēng)拉處通過(guò)箱形截面的拱肋相連，三個(gè)單獨(dú)的拱箱在第一個(gè)起重柱前合并成一個(gè)整體的箱形部分。

本橋共64 根吊桿，分別在中間的主拱和兩邊的邊拱下面，中拱桿垂直豎直，邊拱吊桿順橋向豎直，橫橋向斜向傾斜，與道路中心線呈對(duì)稱關(guān)系。中拱式起重機(jī)的規(guī)格為Φ7-61、Φ5-85、Φ5-61，邊拱式起重機(jī)的規(guī)格為Φ7-61、Φ7-73。吊桿順橋向間隔6m，中拱各設(shè)16 個(gè)吊桿，各側(cè)拱各15個(gè)，全橋62個(gè)。

為了提高橋梁的整體性能，在中拱和邊拱之間設(shè)置了風(fēng)柱，其位置與主梁的位置相對(duì)應(yīng)，整個(gè)橋面共有28 根風(fēng)柱。風(fēng)柱的橫斷面為等寬變高的箱形結(jié)構(gòu)，與中拱、邊拱交界處的寬度為0.6m。

各縱梁下各有2 根鋼拉桿，橫截面為8 根，鋼拉桿為雙鋼板截面，兩端為銷鉸結(jié)構(gòu)，與梁體和地基的預(yù)埋構(gòu)件相結(jié)合，以承受軸向拉力。

道路等級(jí)為城市次干道，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城市-A 級(jí)，主要材料為主橋Q345qD。

4 試驗(yàn)方案

4.1 控制截面

本次靜載試驗(yàn)共選擇五個(gè)控制截面，即中拱最大內(nèi)力及撓度、邊拱最大內(nèi)力及撓度、主縱梁最大內(nèi)力及撓度、中拱最大索力、邊拱最大索力。測(cè)試了主拱、主梁和吊桿在試驗(yàn)載荷下的受力和變形情況，拱肋和縱梁的控制截面布置見圖1。

圖1 拱肋及縱梁控制截面示意圖

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

圖2 拱肋及縱梁控制截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

①應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

在控制斷面拱肋上設(shè)置4 個(gè)應(yīng)變計(jì)，在鋼縱梁上設(shè)置2 個(gè)應(yīng)變儀，測(cè)試拱肋和鋼梁在不同水平載荷下的受力情況。

②撓度測(cè)點(diǎn)

靜載試驗(yàn)在拱肋及鋼縱梁控制截面布置撓度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見圖3，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇使用全站儀進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)撓度測(cè)量。

圖3 拱肋及縱梁截面撓度測(cè)點(diǎn)布置

③吊桿索力測(cè)試

系桿拱橋吊桿索力的測(cè)試方法是利用高靈敏拾振傳感器、現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)采集裝置和軟件，從結(jié)構(gòu)的振動(dòng)中得到前幾個(gè)階次的自振頻率，并根據(jù)索力的頻率、邊界條件、剛度等的變化規(guī)律，對(duì)索力進(jìn)行計(jì)算。

本橋吊桿索力通過(guò)索力動(dòng)測(cè)儀，在吊桿控制斷面測(cè)量加載前、加載后的吊桿頻率值并得到吊桿索力。

4.3 試驗(yàn)荷載

根據(jù)本橋設(shè)計(jì)荷載（城市-A 級(jí)）作用下的最不利荷載效應(yīng)值，采用等效加載的方式，計(jì)算得到本次靜載試驗(yàn)的等效荷載（8輛36t加載車）。

4.4 試驗(yàn)工況

本次荷載試驗(yàn)共加載五個(gè)試驗(yàn)加載工況，分別為工況一（2#中肋最大內(nèi)力對(duì)稱加載試驗(yàn)）、工況二（1#邊肋最大內(nèi)力對(duì)稱加載試驗(yàn)）、工況三（2#、3#縱梁最大內(nèi)力及撓度測(cè)試）、工況四（右ZDG-01 吊桿最大拉力測(cè)試）、工況五（右BDG-01吊桿最大拉力測(cè)試），通過(guò)對(duì)試驗(yàn)荷載下的橋梁進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試、變形測(cè)量、索力測(cè)試，了解橋梁實(shí)際承載力，并對(duì)其施工質(zhì)量進(jìn)行判定。

4.5 加載效率

為保證靜載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確以及能正確反映橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀況，本文采用試驗(yàn)工況加載效率系數(shù)作為試驗(yàn)的控制指標(biāo)。由于本次荷載試驗(yàn)為驗(yàn)收性質(zhì)試驗(yàn)，根據(jù)規(guī)范要求，加載效率控制在0.85～1.05 之間。在不同的試驗(yàn)情況下，加載效率系數(shù)見表1。

表1 各試驗(yàn)工況加載效率

5 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)分析

5.1 工況一

工況一為1-1 斷面的2#拱肋最大內(nèi)力對(duì)稱加載試驗(yàn)。本次加載試驗(yàn)測(cè)量了控制截面拱肋的受力情況、變形情況，并與理論結(jié)果進(jìn)行比較，試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)力、撓度實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)荷載作用下計(jì)算值的對(duì)比分別見表2、表3。

表2 工況一試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)力實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)荷載作用下計(jì)算值對(duì)比

表3 工況一試驗(yàn)荷載作用下?lián)隙葘?shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)荷載作用下計(jì)算值對(duì)比

在工況一試驗(yàn)荷載作用下，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的應(yīng)力值低于設(shè)計(jì)值，應(yīng)力檢驗(yàn)系數(shù)為0.64～0.77，實(shí)際變形值低于設(shè)計(jì)值，撓度檢驗(yàn)系數(shù)為0.62～0.67，卸載后相對(duì)殘余應(yīng)變和相對(duì)殘余撓度都低于20%。說(shuō)明在本次試驗(yàn)工況荷載作用下，該控制截面具有較好的彈性工作性能，有足夠的安全儲(chǔ)備。

5.2 工況二

工況二為2-2 斷面1#邊拱的最大內(nèi)力對(duì)稱加載試驗(yàn)。本次加載試驗(yàn)測(cè)量了控制截面拱肋的受力情況、變形情況，并與理論結(jié)果進(jìn)行比較，試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)力、撓度實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)荷載作用下計(jì)算值的對(duì)比分別見表4、表5。

表4 工況二試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)力實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)荷載作用下計(jì)算值對(duì)比

表5 工況二試驗(yàn)荷載作用下?lián)隙葘?shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)荷載作用下計(jì)算值對(duì)比

在工況二試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測(cè)應(yīng)力值低于計(jì)算值，應(yīng)力檢驗(yàn)系數(shù)為0.54～0.66，實(shí)際變形值低于計(jì)算值，撓度檢驗(yàn)系數(shù)為0.65～0.67，卸載后相對(duì)殘余應(yīng)變和相對(duì)殘余撓度小于20%。說(shuō)明在本次試驗(yàn)工況荷載作用下，該控制截面具有較好的彈性工作性能，有足夠的安全儲(chǔ)備。

5.3 工況三

工況三為3-3 截面2#和3#縱梁的最大內(nèi)力對(duì)稱加載試驗(yàn)。本次加載試驗(yàn)測(cè)量了縱向鋼梁的受力情況、變形情況，并與理論結(jié)果進(jìn)行比較，試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)力、撓度實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)荷載作用下計(jì)算值的對(duì)比分別見表6、表7。

表6 工況三試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)力實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)荷載作用下計(jì)算值對(duì)比

表7 工況三試驗(yàn)荷載作用下?lián)隙葘?shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)荷載作用下計(jì)算值對(duì)比

在工況三試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測(cè)應(yīng)力值低于計(jì)算值，應(yīng)力檢驗(yàn)系數(shù)為0.62～0.71，實(shí)際撓度低于計(jì)算撓度，撓度檢驗(yàn)系數(shù)為0.68～0.73，卸載后相對(duì)殘余應(yīng)變和相對(duì)殘余撓度都低于20%。說(shuō)明在本次試驗(yàn)工況荷載作用下，該控制截面具有較好的彈性工作性能，有足夠的安全儲(chǔ)備。

5.4 工況四

工況四為右ZDG-01吊桿最大拉力對(duì)稱加載試驗(yàn)。

在工況四試驗(yàn)荷載作用下，右ZDG-01 吊桿實(shí)測(cè)拉力與理論計(jì)算結(jié)果的偏差為2.5%，低于10%的規(guī)范要求，且在試驗(yàn)期間，控制斷面附近沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的裂紋。說(shuō)明在本次試驗(yàn)工況荷載作用下，該控制截面具有較好的彈性工作性能，有足夠的安全儲(chǔ)備。

5.5 工況五

工況五為右BDG-01 吊桿最大拉力對(duì)稱加載試驗(yàn)。

工況五試驗(yàn)荷載作用下，右BDG-01 吊桿實(shí)測(cè)拉力與理論計(jì)算結(jié)果的偏差為1.3%，低于10%的規(guī)范要求，且在試驗(yàn)期間，控制截面附近未見新開展的裂縫。說(shuō)明在本次試驗(yàn)工況荷載作用下，該控制截面具有較好的彈性工作性能，有足夠的安全儲(chǔ)備。

6 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明該橋在試驗(yàn)荷載作用下，拱肋和鋼縱梁具有良好的剛度和強(qiáng)度性能，拉索的受力合理，安全儲(chǔ)備充足，滿足城市-A荷載標(biāo)準(zhǔn)的要求。

本文結(jié)合工程實(shí)際，討論了非對(duì)稱全鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋靜載試驗(yàn)的內(nèi)容、加載工況等，并論述了試驗(yàn)荷載作用下拱橋的強(qiáng)度、剛度、抗裂性能。同時(shí)，通過(guò)實(shí)測(cè)值和理論值的分析比較，確定了該橋在試驗(yàn)載荷下的真實(shí)受力狀況，為此類系桿拱橋受力性能的測(cè)試和計(jì)算提供參考依據(jù)。

橋梁荷載測(cè)試既能檢測(cè)成橋的質(zhì)量，又能反映其安全、適用性，還能對(duì)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行驗(yàn)證，為以后的運(yùn)行和維護(hù)工作提供參考。

本文只做了一個(gè)生產(chǎn)上的鑒定，對(duì)其性能的判定僅限于符合設(shè)計(jì)和國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范，但是由于結(jié)構(gòu)型式、材質(zhì)、地理位置等因素的差異較大，所以對(duì)各種類型的荷載測(cè)試進(jìn)行歸納和總結(jié)，既可以通過(guò)實(shí)際資料來(lái)驗(yàn)證該標(biāo)準(zhǔn)的正確性，同時(shí)也為以后的規(guī)范修改提供了必要的依據(jù)。