中承式拱橋荷載試驗(yàn)

□文/莊洪亮 劉躍進(jìn)

□劉躍進(jìn)/洛陽市市政工程公司。

中承式拱橋荷載試驗(yàn)

□文/莊洪亮 劉躍進(jìn)

瀛洲大橋建筑結(jié)構(gòu)新穎、造型獨(dú)特。由于理論分析模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間存在材料、邊界條件差異，施工方法與施工工藝，環(huán)境等諸多因素的影響，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段所預(yù)示的大橋結(jié)構(gòu)特性、工作狀態(tài)與實(shí)際的結(jié)構(gòu)特性、工作條件之間仍然存在差別。因此，只有通過結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗(yàn)、分析等手段對(duì)建成的大橋進(jìn)行驗(yàn)證，為今后類似橋梁設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)和資料；通過工程現(xiàn)場荷載試驗(yàn)以試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)工程的設(shè)計(jì)施工質(zhì)量。文章對(duì)試驗(yàn)內(nèi)容、外觀檢查及基本數(shù)量的量測、靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)和荷載試驗(yàn)結(jié)論分別進(jìn)行了介紹。

洛陽瀛洲大橋；荷載試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)

1 工程概況

洛陽瀛州大橋全長1160m，主橋橋長610m，引橋橋長550m。全橋下部結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁及鋼筋混凝土實(shí)體墩，上部結(jié)構(gòu)共分為3大部分，即主橋主跨為跨徑120m帶懸臂剛架的中承式鋼管混凝土系桿拱橋，主橋邊跨為3×50m帶懸臂半孔加體外索自平衡無推力上承式鋼筋混凝土箱型拱橋，兩岸引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

瀛洲大橋建筑結(jié)構(gòu)新穎、造型獨(dú)特。由于理論分析模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間存在材料、邊界條件差異，施工方法與施工工藝，環(huán)境等諸多因素的影響，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段所預(yù)示的大橋結(jié)構(gòu)特性、工作狀態(tài)與實(shí)際的結(jié)構(gòu)特性、工作條件之間仍然存在差別。因此，只有通過結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗(yàn)與分析等手段對(duì)前階段的工作成果進(jìn)行驗(yàn)證或補(bǔ)充，才能更全面了解大橋主跨結(jié)構(gòu)或特殊結(jié)構(gòu)的技術(shù)性能，掌握其在運(yùn)營荷載作用下的工作狀況，從而直接判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載力，為大橋的運(yùn)營管理與養(yǎng)護(hù)決策提供依據(jù)。

3 靜載試驗(yàn)

3.1 靜載試驗(yàn)的主要內(nèi)容

靜載試驗(yàn)是橋梁荷載試驗(yàn)的主要內(nèi)容。通過靜力加載試驗(yàn)測定在最不利工況荷載作用下主要控制截面的應(yīng)力和變形以及結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力，可以對(duì)于橋梁的受力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行分析判斷。

試驗(yàn)之前采用橋梁空間線性與非線性分析程序MIDAS/CIVIL2006按梁格法建立空間有限元模型。根據(jù)大橋設(shè)計(jì)荷載，計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的彎矩包絡(luò)圖、剪力彎矩包絡(luò)圖，確定主拱、拱腳等主要部位最大彎矩、最大剪力等受力狀態(tài)。全橋共劃分為7片縱梁，370個(gè)節(jié)點(diǎn)，413個(gè)單元,見圖1。

根據(jù)大橋梁變形及受力特點(diǎn)，靜力加載試驗(yàn)的測量項(xiàng)目：主跨縱梁八分點(diǎn)斷面上撓度；主梁既作為整體受力構(gòu)件又受局部荷載作用時(shí)L/2截面各部位應(yīng)力狀態(tài)；拱腳的拱座斷面、三角區(qū)、拱肋控制截面的應(yīng)力狀態(tài)；吊桿和體外索內(nèi)力增量。

荷載試驗(yàn)需要確定加載車輛的配置。本橋設(shè)計(jì)荷載為城市-A級(jí)，試驗(yàn)時(shí)模擬相應(yīng)截面處設(shè)計(jì)荷載產(chǎn)生內(nèi)力效應(yīng)較大值的布載方式進(jìn)行加載，試驗(yàn)選用相當(dāng)公路規(guī)范中汽車-20級(jí)荷載中的重車（300kN）作加載車輛。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載產(chǎn)生的工況下的最不利效應(yīng)值按照荷載效率系數(shù)換算得到，靜載試驗(yàn)共需要300 kN標(biāo)準(zhǔn)車12輛。

各工況對(duì)應(yīng)加載位置見表1。

表1 瀛洲大橋靜載試驗(yàn)工況匯總

續(xù)表1

由表1可知，靜載試驗(yàn)各工況下的荷載效率系數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定0.8～1.05的要求。

3.2 靜載試驗(yàn)實(shí)施

1）應(yīng)變測量

靜載試驗(yàn)中控制截面的應(yīng)變測量分為2種情況。主梁跨中鋼梁截面、主跨南拱腳的拱座外包鋼板截面粘貼電阻式應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測量；主跨主拱肋、副拱肋、三角區(qū)、部分邊跨截面結(jié)合施工監(jiān)測中的預(yù)埋的振弦應(yīng)變儀，采用振弦應(yīng)變儀進(jìn)行應(yīng)變測量。

2）索力測量

靜載試驗(yàn)中吊桿索力內(nèi)力增量采用振動(dòng)法測試，儀器與成橋狀態(tài)索力測量所用儀器相同。

3）撓度測量方法

豎向位移采用精密水準(zhǔn)測量要求進(jìn)行觀測動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)測量方法。

3.3 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1）大橋豎向撓度測量結(jié)果

在靜載工況下橋面撓度的實(shí)測值與理論計(jì)算值吻合較好；各工況下主跨中測點(diǎn)的上下游撓度差值均在3～5mm之間，處于合理范圍之內(nèi)；邊跨各工況下的撓度測試值與理論值吻合較好；除個(gè)別測量點(diǎn)外，大部分撓度校驗(yàn)系數(shù)＜1。

2）豎吊桿索內(nèi)力增量測量結(jié)果

在靜載工況下實(shí)測值與理論計(jì)算值吻合較好，19根吊桿索力增量中有16根次索的實(shí)測值與理論計(jì)算值誤差＜15%；從整體上看測量值與設(shè)計(jì)值的差值無規(guī)律性，正負(fù)差值的分布是隨機(jī)的；說明在試驗(yàn)荷載作用下，吊桿受力合理，符合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。體外索索力測量與設(shè)計(jì)值相吻合，這是由于體外索張力在設(shè)計(jì)上沒予以太大的張拉力。

3）主梁斷面應(yīng)力測試結(jié)果

主跨L/2應(yīng)力測試斷面箱梁頂板應(yīng)力，從整體上看，由荷載引起的箱梁頂板的彎曲正應(yīng)力沿梁寬分布比較均勻，箱梁兩側(cè)和中央處應(yīng)力較梁寬四分點(diǎn)處的應(yīng)力要略大一些，應(yīng)力呈“M”形分布。其主要原因，一是剪滯效應(yīng)使靠近腹板處的應(yīng)力比遠(yuǎn)離腹板地方的應(yīng)力要大；二是箱梁橫坡使箱梁中央頂板離開箱梁斷面的中性軸的位置較其他地方遠(yuǎn)，兩者作用疊加斷面上的應(yīng)力就成“M”形分布。當(dāng)荷載偏心作用時(shí)，作用荷載一側(cè)的頂板應(yīng)力較無荷載作用一側(cè)頂板應(yīng)力只稍大一點(diǎn)。比較應(yīng)力的測試值與計(jì)算值，不同加載方式時(shí)，測試值與計(jì)算值比較接近。

4）三角區(qū)的應(yīng)力計(jì)算與測量結(jié)果

在整個(gè)結(jié)構(gòu)受力體系中，變截面倒三角區(qū)鋼架的受力最為復(fù)雜，通過試驗(yàn)可以看出實(shí)測應(yīng)力值與計(jì)算應(yīng)力值較好符合。在各工況作用下，承臺(tái)上端與邊跨連接支承處最大壓應(yīng)力為-3.6MPa，橋面上端與主拱連接處最小應(yīng)力為0。鋼管拱座應(yīng)力測量分析實(shí)測結(jié)果與模型計(jì)算相吻合。

5）鋼管拱拱肋應(yīng)力測試結(jié)果

從應(yīng)力的分布來看，在工況2時(shí)，拱肋處最大應(yīng)力為20.6MPa，最大應(yīng)力的位置在副拱肋靠近上側(cè)的位置；最小應(yīng)力為2.2MPa，出現(xiàn)在主拱肋的拱圈處。在工況3下，拱肋處最大應(yīng)力為-53.4MPa，最大應(yīng)力的位置在副拱肋靠近下側(cè)的位置；最小應(yīng)力為2.2MPa，出現(xiàn)在主拱肋的拱圈下側(cè)處。相對(duì)于內(nèi)填混凝土的主拱肋來說，副拱肋的應(yīng)力分布梯度較大，這也是空心鋼管承載力不穩(wěn)定的一個(gè)表現(xiàn)。而主拱肋受軸向壓力作用時(shí)，由于混凝土的存在提高了薄壁鋼管的屈曲臨界力，對(duì)于該區(qū)域有較多的安全儲(chǔ)備。

由于主拱肋為鋼管混凝土，而副拱肋為鋼管，所以主拱肋的面積和抗彎剛度遠(yuǎn)大于副拱肋，雖然主拱肋荷載大于副拱肋荷載，但主拱肋的鋼管應(yīng)力仍小于副拱肋。

4 動(dòng)載試驗(yàn)

4.1 模態(tài)試驗(yàn)

橋梁的振動(dòng)模態(tài)參數(shù)包括振動(dòng)頻率、振型和阻尼系數(shù)，是反映橋梁自身動(dòng)力特性和狀況的重要參數(shù)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量或阻尼發(fā)生變化時(shí)，結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)將隨之發(fā)生變化。

1）結(jié)構(gòu)的模態(tài)，通常可通過有限元計(jì)算和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析2種方法獲得。

2）模態(tài)試驗(yàn)基本步驟與測點(diǎn)布置。采用環(huán)境激勵(lì)法進(jìn)行振動(dòng)測試。選擇測量斷面：將箱梁主跨22等分，共選取23個(gè)測量斷面，每一斷面上按上游垂直、下游垂直方向各布置一個(gè)振動(dòng)傳感器；測試時(shí)，上游垂直、下游垂直方向各選取一個(gè)固定測點(diǎn)作為參考點(diǎn)，分4組分段測試記錄各測點(diǎn)時(shí)域振動(dòng)信號(hào)；采用振動(dòng)模態(tài)分析專用軟件對(duì)全部信號(hào)進(jìn)行整體分析，得到箱梁前10階振動(dòng)模態(tài)參數(shù)。

第1階振型為拱肋反對(duì)稱階側(cè)彎.第2～3階振型為主梁振動(dòng)，第2振型為主梁1階對(duì)稱豎彎，第3階振型為主梁2階對(duì)稱豎彎，這兩階振型的最大振幅均在跨中附近。第4～9階振型為拱肋振動(dòng)，第4階振型為拱肋2階反對(duì)稱側(cè)彎，拱肋1/4和3/4處振動(dòng)幅度較大；第5階振型為拱肋2階反對(duì)稱豎彎；第6階振型為拱肋3階反對(duì)稱豎彎，拱肋反對(duì)稱時(shí)拱肋1/4和3/4及拱頂處振動(dòng)幅度較大；第7階和第9階為拱肋反對(duì)稱豎彎，反對(duì)稱時(shí)兩側(cè)拱腳和三角區(qū)兩端振幅均較大，正對(duì)稱時(shí)兩側(cè)拱腳、拱頂和三角區(qū)兩端振動(dòng)幅值較大；第8階振型為拱肋1階扭轉(zhuǎn)，可以看到拱肋在1/4和3/4及拱頂處振動(dòng)幅度較大。第10階振型為拱肋2階扭轉(zhuǎn)加之主梁2階反對(duì)稱豎彎的復(fù)合振型，同樣的可以看到拱肋在1/4和3/4及拱頂處振動(dòng)幅度較大，同時(shí)在這兩位置的吊桿振動(dòng)幅值也較大。

通過結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性結(jié)果與振型分析表明，瀛洲大橋主跨結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜，主橋的豎向剛度和橋面的側(cè)向剛度較強(qiáng)，而鋼管混凝土拱肋的面外剛度相對(duì)較弱；振幅值較大點(diǎn)一般在拱頂、拱肋1/4和3/4處、拱腳、短吊桿處，另外還有三角區(qū)兩端和幾個(gè)邊吊桿振動(dòng)幅值也相對(duì)較大。實(shí)測橋面結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)頻率及振型階次與理論計(jì)算值較為吻合，說明大橋?qū)嶋H的動(dòng)力學(xué)特性與理論預(yù)測接近。大橋在環(huán)境振動(dòng)下測得的振動(dòng)頻率比理論稍大，說明實(shí)際結(jié)構(gòu)動(dòng)力剛度大于計(jì)算值。

4.2 動(dòng)力荷載試驗(yàn)的內(nèi)容

1）行車試驗(yàn)

采用 2輛 30t主車分別以 10、20、30、40km/h的速度勻速通過橋跨結(jié)構(gòu)，利用速度傳感器測量結(jié)構(gòu)的豎向速度-時(shí)程曲線，積分求得結(jié)構(gòu)的動(dòng)位移-時(shí)程曲線，以測得橋梁在行車條件下實(shí)測沖擊系數(shù)平均值。

2）剎車試驗(yàn)

采用 2輛 30t主車分別以 10、20、30、40km/h的速度勻速行駛至中跨跨中斷面時(shí)實(shí)施緊急剎車，使其產(chǎn)生較大的制動(dòng)力并對(duì)橋梁形成一定的沖擊作用，測定跨中截面測點(diǎn)的豎向振幅響應(yīng)。

3）跳車試驗(yàn)

在橋梁跨中截面處設(shè)置高7cm的弓形障礙物，模擬橋面鋪裝的局部不平整或損傷狀態(tài)。采用采用2輛30t主車分別以10、20、30、40km/h的速度勻速通過橋跨結(jié)構(gòu)，在跨越障礙物時(shí)對(duì)橋梁形成沖擊作用，激起橋梁較大的豎向振動(dòng)。測定此時(shí)橋梁在橋面不良狀態(tài)時(shí)運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

4.3 動(dòng)載試驗(yàn)測試結(jié)果

1)無障礙跑車試驗(yàn)

測試結(jié)果表明，小型車輛以低速（＜40km/h）正常行駛時(shí)，引起的橋面動(dòng)態(tài)位移增量不大，位移動(dòng)態(tài)放大系數(shù)＜1.05（中跨跨中）；低速正常行駛時(shí)，位移動(dòng)態(tài)放大系數(shù)與行車速度無明顯關(guān)系。這主要是由于大橋結(jié)構(gòu)自重大、橋面剛度比較大的原因。

試驗(yàn)車輛以低速（＜20km/h）正常行駛時(shí)引起的橋面的動(dòng)態(tài)位移增量不大，位移動(dòng)態(tài)放大系數(shù)＜1.1（中跨跨中）；重型車輛以中速（＞30km/h）行駛時(shí)，橋面的位移動(dòng)態(tài)放大系數(shù)＜1.3（中跨跨中）。

2）有障礙跳車試驗(yàn)

測試結(jié)果表明，當(dāng)重型車輛以10km/h跳過行駛障礙物時(shí)，引起的橋面動(dòng)態(tài)位移放大系數(shù)達(dá)到1.7～1.8（中跨跨中）。重型車輛跨越障礙物時(shí)對(duì)橋梁有很大的沖擊作用。

3）無障礙行車剎車試驗(yàn)

無障礙行車剎車試驗(yàn)結(jié)果表明，重型車輛以低速（＜20km/h）行駛剎車時(shí)引起沖擊效應(yīng)不明顯，橋面動(dòng)態(tài)位移增量1.2（中跨跨中）；重型車輛以＞30km/h行駛時(shí)，橋面的位移動(dòng)態(tài)放大系數(shù)＜1.3（中跨跨中）。

5 試驗(yàn)結(jié)論

1）瀛洲大橋成橋狀態(tài)橋梁特征點(diǎn)幾何位置的測量結(jié)果以及恒載作用下吊桿的測量結(jié)果分析表明，大橋施工工程符合設(shè)計(jì)要求。

2）瀛洲大橋結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力性能試驗(yàn)結(jié)果的分析與設(shè)計(jì)值一致，具有承受預(yù)定設(shè)計(jì)荷載的足夠的強(qiáng)度和剛度。

U445

C

1008-3197（2011）03-58-03

2010-11-05

莊洪亮/男，1972年出生，高級(jí)工程師，天津市路馳建設(shè)工程監(jiān)理有限公司，從事工程監(jiān)理工作。

□劉躍進(jìn)/洛陽市市政工程公司。