清水江大橋成橋荷載試驗研究*

周磊，楊成銘，丁瑞

（貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550000）

清水江大橋成橋荷載試驗研究*

周磊，楊成銘，丁瑞

（貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550000）

結(jié)合清水江大橋交工檢測，介紹了大跨徑鋼管砼系桿拱橋靜載試驗、動力荷載試驗的方法和過程，并對靜、動載參數(shù)實測值和計算值進行了對比。結(jié)果表明，該橋控制截面測點各參數(shù)實測值跟計算值較吻合，結(jié)構(gòu)強度和剛度滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)也正常。

橋梁；鋼管砼拱橋；剛性系桿剛性拱；荷載試驗；檢測評定

鋼管砼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)美觀、跨越能力較大等優(yōu)勢，加上可以解決部分鋼材產(chǎn)能過剩問題，在建設(shè)條件允許的情況下，中國各級政府更愿意建設(shè)這類橋型，故鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有更好的應(yīng)用前景。目前，鋼管砼荷載試驗評價體系不夠完善，不同跨徑橋梁可能受力性能各異。該文結(jié)合工程實例，介紹剛性系桿剛性拱的靜、動載試驗，以期對這類橋梁的荷載試驗過程及評價提供指導(dǎo)和參考。

1 工程概況

清水江大橋是貴州省凱里濱江休閑道路（玻璃廠至鐮刀灣段）的控制性工程，跨徑組合為（2×32.5 +110+2×32.5）m，其中2×32.5 m為現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，主跨110 m為鋼管砼系桿拱橋，橋面為鋼-砼組合結(jié)構(gòu)，屬于剛性系桿剛性拱。主橋立面見圖1，其斷面見圖2。

圖1 清水江大橋主橋立面及靜載試驗測試截面和變形測點布置（單位：cm）

圖2 清水江大橋斷面及靜載試驗變形和應(yīng)變測點橫向布置

主拱肋采用單圓鋼管砼，鋼管外徑1.5 m，標準節(jié)段壁厚24 mm，拱腳段局部壁厚28 mm，鋼管內(nèi)灌C55自密實微膨脹砼。全橋共2條拱肋，拱肋中心間距28 m。主拱肋橫向設(shè)有5道一字式徑向橫撐，橫撐采用直徑0.92 m鋼管，壁厚14 mm。吊桿采用15.2 mm環(huán)氧噴涂鋼絞線擠壓成型為吊桿索體，極限抗拉強度為1 860 MPa，兩端采用定型耐久性錨具。吊桿布置間距為10 m，全橋共20根吊桿。

橋道系采用鋼-砼組合梁，鋼梁結(jié)構(gòu)由鋼縱梁、次縱梁、吊點鋼橫梁、次鋼橫梁及組合砼橋面板構(gòu)成。鋼縱梁為箱形截面，寬度1m，中心高度約2.05 m，兩片主拱肋處各設(shè)1道鋼縱梁，全橋共2道鋼縱梁。次縱梁為工字形截面，設(shè)置于主橋中心線處，全橋共設(shè)置1道。吊點鋼橫梁為工字形截面，長約27 m，每個吊點位置布置1道，順橋向間距10 m。吊點鋼橫梁間設(shè)置2道次鋼橫梁，間距3.33 m。組合橋面板采用C40鋼纖維砼，標準厚度12 cm，在縱橫鋼梁處局部設(shè)置承托變化到22 cm，鋼頂板設(shè)置

焊釘與砼橋面板連接，砼橋面板底部設(shè)置8 mm厚鋼板作為底板，鋼底板上設(shè)置帶孔鋼板（PBL剪力連接件）。

橋梁設(shè)計技術(shù)標準為汽車城市A級、人群3.5 k Pa。橋面寬度為1.25 m吊桿區(qū)+2.5 m人行道+10 m行車道+1.5 m中央分隔帶+10 m行車道+2.5 m人行道+1.25 m吊桿區(qū)。

2 靜載試驗

2.1 測試內(nèi)容

結(jié)構(gòu)計算荷載標準采用公路Ⅰ級六車道，按規(guī)范進行橫向折減，繼而進行車輛荷載布置，測試加載工況下系桿、橫梁和拱肋控制截面的應(yīng)變、系桿變形、拱肋變形、吊桿頻率增量等參數(shù)，觀察控制截面在加載過程中是否產(chǎn)生巨響或異常變化。荷載效率見表1。

2.2 測點布置及加載車位置

主橋靜載試驗共設(shè)置9個測試截面，其中：拱肋設(shè)置3個應(yīng)變測試截面，分別為拱腳最大正彎矩截面J1、L／4截面J2、拱頂J3截面，各截面拱圈頂部4個測點、底部4個測點；系桿設(shè)置2個應(yīng)變測試截面，分別為L／4截面Y2、3L／4截面Y2′；橫梁設(shè)置4個應(yīng)變測試截面，分別為P1吊桿橫梁截面、P3吊桿橫梁截面、P5吊桿橫梁截面、P8吊桿橫梁截面，測點布置在中央分隔帶下橫梁。各測試截面應(yīng)變測點布置見圖1、圖2，加載車位置見圖3。試驗采用38 t加載車8臺，加載車前軸8 t，中后軸30 t，試驗前對加載車進行過磅稱重。各工況采用三級加載，一次卸載完畢。

表1 主橋靜力試驗荷載效率

2.3 測量結(jié)果

2.3.1 撓度

各工況下，主橋?qū)崪y橋面最大彈性撓度為30.76 mm，撓度結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.50～0.89；主橋?qū)崪y拱肋最大彈性撓度為20.00 mm，撓度結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.51～0.93。表2為工況3荷載作用下主橋左幅橋面變形檢測結(jié)果，其撓度曲線見圖4。從圖4來看，工況3作用下主梁撓度曲線連續(xù)、平滑，與計算值具

有一致的規(guī)律，殘余值也在規(guī)范要求范圍內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)具有良好的整體剛度。

圖3 靜載試驗加載車布置（單位：cm）

表2 主橋工況3作用下左幅橋面撓度檢測結(jié)果

圖4 工況3作用下主梁撓度曲線

2.3.2 應(yīng)變

在各工況荷載作用下，各截面部分應(yīng)變檢測結(jié)果見表3～5。應(yīng)變校驗系數(shù)為0.50～0.83，與計算值具有一致的規(guī)律，同時殘余較小，說明結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

表3 拱肋應(yīng)變檢測結(jié)果

表4 橫梁應(yīng)變檢測結(jié)果

表5 系桿應(yīng)變檢測結(jié)果

3 動載試驗

3.1 測試內(nèi)容與測點布置

主橋動力特性測試主要檢測固有頻率，測試截面動力響應(yīng)檢測包括動應(yīng)變、振動速度、沖擊效應(yīng)。進行5種車速無障礙跑車、跳車和脈動等工況試驗，試驗程序見表6。

表6 動力試驗程序

主橋動載試驗共設(shè)置3個測試截面，分別為右幅拱肋L／4截面J2、右幅拱肋拱頂截面J3、右幅系桿跨中截面J5，各測試截面測點布置見圖5。

圖5 動力試驗測試斷面及測點布置（單位：cm）

3.2 頻率測試

3.2.1 主跨振型計算結(jié)果

采用MIDAS／Civil有限元空間模型計算結(jié)構(gòu)

動力特性，主跨豎向彎曲理論振型見圖6。

圖6 主跨豎向彎曲理論振型

3.2.2 跳車及脈動實測結(jié)果

在主跨J2、J3截面通過跳車使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動，用高靈敏加速度計拾取結(jié)構(gòu)自振信號，通過分析計算得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比；通過對脈動信號的分析處理，識別結(jié)構(gòu)的自振頻率。圖7和圖8分別為跳車自振、脈動信號頻譜分析結(jié)果，表7為主橋動力特性實測結(jié)果。

從表7可見，實測1～5階頻率與計算值比較接近，顯示出較好的規(guī)律性。

圖7 實測J2截面跳車自振頻譜

圖8 實測右幅系桿跨中截面脈動信號頻譜

表7 主橋動力特性檢測結(jié)果

3.2.3 動力響應(yīng)測試

在橋面無障礙的情況下，采用2輛加載車以橋軸線為對稱軸并排勻速通過橋梁，行駛速度為10～50 km／h，通過測定振動速度、動應(yīng)變，考察不同車速作用下測試部位的動力增大效應(yīng)。試驗結(jié)果見圖9、圖10和表8。

圖9 實測J2截面30 km／h跑車信號頻譜

圖10 實測J2截面10 km／h跑車動應(yīng)變圖

表8 跑車試驗動力響應(yīng)檢測結(jié)果

通過對動應(yīng)變時間歷程曲線的計算，得到測試截面的應(yīng)變增大系數(shù)：

式中：εdmax為最大動應(yīng)變；εjmax為最大靜應(yīng)變；εp為動應(yīng)變信號半峰值。

k值反映移動荷載對結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)，圖11為測試截面應(yīng)變增大系數(shù)隨車速的變化。

圖11 應(yīng)變增大系數(shù)隨車速的變化

4 結(jié)論

（1）在靜力荷載作用下，清水江大橋主梁撓度、應(yīng)變、索塔位移和索力等實測值具有較好的規(guī)律性，跨中截面沒有產(chǎn)生裂縫，滿足設(shè)計荷載的正常使用要求。在動力荷載作用下，實測1～5階頻率與計算值的比值為1.00～1.189，實測動應(yīng)變影響線與計算值具有較高的吻合度，行車試驗的應(yīng)變增大系數(shù)為1.00～1.185，無障礙行車時汽車對大橋結(jié)構(gòu)的沖擊較小。

（2）鋼-砼組合結(jié)構(gòu)橋面縱橫梁參與結(jié)構(gòu)受力，在建模計算時需充分考慮其剛度。

（3）對于剛性系桿剛性拱，主拱圈和系桿都承擔(dān)較大內(nèi)力，在制訂試驗計算方案和現(xiàn)場實測時都應(yīng)進行相應(yīng)荷載效應(yīng)布載測試。

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U446

A

1671-2668（2016）06-0182-05

2016-05-08

國家自然科學(xué)基金資助項目（51278512；51208538）