下承式拱梁組合結(jié)構(gòu)橋梁荷載試驗研究分析

陳 勇

(福州市建筑科學(xué)研究所 福建福州 350005)

0 引言

鋼管混凝土拱橋主要結(jié)構(gòu)體系根據(jù)車承形式與是否有推力可分為(有推力)上承式拱、(有推力)中承式拱、(部分推力)中承式剛架系桿拱、(部分推力)下承式剛架系桿拱和(無推力)下承式拱梁組合結(jié)構(gòu)，其中下承式拱梁組合結(jié)構(gòu)在市政橋梁工程中應(yīng)用最多[1]。在市政橋梁工程的發(fā)展中，荷載試驗起到了重要的作用。大量的試驗研究成為促進市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計計算理論、設(shè)計方法不斷發(fā)展的重要因素之一。本文對福州某下承式拱梁組合結(jié)構(gòu)橋梁進行荷載試驗，了解在與設(shè)計荷載基本相當(dāng)?shù)脑囼灪奢d作用下鋼管混凝土拱橋的受力狀態(tài)，評定鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的承載能力和使用條件，檢驗設(shè)計與施工質(zhì)量，同時為下承式拱梁組合結(jié)構(gòu)等類似橋梁的設(shè)計及荷載試驗提供參考。

1 工程概況

某下承式拱梁組合結(jié)構(gòu)橋梁位于福州市文博路，橫跨晉安河，設(shè)計長度為51m，設(shè)計寬度為19m。橋臺采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。該拱橋總體布置如圖1所示。

圖1 拱橋總體布置圖(單位：mm)

2 有限元分析

為了確定拱橋控制截面的位置，采用Midas/civil橋梁結(jié)構(gòu)通用有限元分析與設(shè)計軟件對該拱橋進行有限元分析并建立計算模型。模型中拱肋、系桿均采用梁單元模擬；吊桿采用只受拉的桁架單元模擬，具體模型如圖2所示。模型中原點O設(shè)置于某一拱腳處，該處支座設(shè)定為固定支座(同時約束橫橋向支座的X方向和縱橋向支座的Y方向)，其余支座設(shè)定為活動支座；拱肋和系桿采用固結(jié)連接。

圖2 有限元分析模型

3 靜力特性分析

3.1 靜載試驗工況

表1 載重汽車技術(shù)指標(biāo)及軸重明細(xì)

圖3 工況一載重汽車加載位置圖(單位：cm)

圖4 工況二載重汽車加載位置圖(單位：cm)

圖5 工況三、工況四載重汽車加載位置意圖(單位：cm)

3.2 靜載測點布置

3.2.1變形測點

變形測試主要包括鋼箱梁1個測試截面和拱肋1個測試截面，如圖1中D截面和A截面。鋼箱梁、拱肋變形采用精密水準(zhǔn)儀和百分表進行測試，撓度測點分別布置在鋼箱梁跨中截面處的橋面板上和拱肋拱頂位置，對稱兩側(cè)各2個測點，具體位置如圖6～圖7所示。

圖6 鋼箱梁跨中截面撓度測點位置圖(單位：cm)

圖7 拱肋拱頂截面撓度測點位置圖(單位：cm)

3.2.2應(yīng)變測點

依據(jù)計算結(jié)果，應(yīng)變測試主要包括鋼箱梁的跨中截面和拱肋的拱頂、L/4、拱腳截面，如圖1中D截面和A截面、B截面、C截面，共18個測點，測點位置如圖8～圖9所示。

圖8 鋼箱梁跨中截面應(yīng)變測點位置圖(單位：cm)

a)拱頂 b)L/4 c)拱腳

3.2.3索力測點

索力增量測試包括圖1中1#～9#吊桿，對稱兩側(cè)共18個吊桿。在拱橋各吊桿上安裝加速度傳感器，采用索力測試儀進行量測。

3.3 靜載試驗結(jié)果分析

3.3.1變形數(shù)據(jù)分析

工況1～工況3下靜載測試截面各測點的撓度數(shù)據(jù)詳見表2～表4。由表2～表4中數(shù)據(jù)可知，工況一～工況三下靜載測試截面各測點的撓度實測值均小于理論計算值，校驗系數(shù)均小于1.0，最大撓度實測值為8.01mm，相應(yīng)的撓跨比為1/6367，小于規(guī)范規(guī)定的限值1/800[8]，表明拱橋剛度達(dá)到設(shè)計要求。相對殘余撓度均小于20%，滿足規(guī)范限值要求[2]，表明拱橋結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)處于彈性階段。

表2 工況一測點撓度 m

表3 工況二測點撓度 m

表4 工況三測點撓度 mm

3.3.2應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

工況一～工況四下靜載測試截面各測點的應(yīng)變數(shù)據(jù)詳見表5～表8。由表5～表8中數(shù)據(jù)可知，工況一～工況四下靜載測試截面各測點的應(yīng)變實測值均小于理論計算值，校驗系數(shù)均小于1.0，最大應(yīng)變實測絕對值為106με，遠(yuǎn)小于鋼材(Q345)的屈服應(yīng)變1311με，表明拱橋剛度達(dá)到設(shè)計要求。相對殘余應(yīng)變均小于20%，滿足規(guī)范限值要求[2]，表明拱橋結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)處于彈性階段。

表5 工況一測點應(yīng)變 μ

表6 工況二測點應(yīng)變 μ

表7 工況三測點應(yīng)變 μ

表8 工況四測點應(yīng)變 με

3.3.3索力數(shù)據(jù)分析

工況二下左右側(cè)各吊桿的索力增量數(shù)據(jù)詳見表9。由表9中數(shù)據(jù)可知，工況二下左右側(cè)3#、4#、6#、7#各吊桿的索力增量實測值均小于理論計算值，校驗系數(shù)均小于1.0，表明吊桿強度滿足設(shè)計要求。

表9 工況二吊桿索力增量 kN

4 自振特性分析

拱橋采用脈動法測試自振特性，測點布置在拱橋鋼箱梁的L/4、L/2、3L/4截面和拱肋的2個拱腳、L/4、拱頂、3L/4截面處，拱橋的豎向一階自振頻率實測值為4.79Hz，大于相應(yīng)理論計算值3.86Hz，實測豎向第一階振型圖如圖10所示。自振特性試驗結(jié)果表明，該拱橋?qū)嶋H成橋整體剛度滿足設(shè)計要求。

圖10 實測豎向第一階振型圖

5 吊桿受力分析

吊桿是下承式拱梁組合結(jié)構(gòu)橋梁的主要組成部分，其工作狀態(tài)能反映出拱橋是否安全。通過對下承式拱梁組合結(jié)構(gòu)橋梁內(nèi)吊桿結(jié)構(gòu)進行數(shù)值分析，可得恒載、活載作用下各吊桿的索力變化曲線如圖11所示。由圖11可知，恒載作用下拱橋吊桿左右側(cè)的索力變化一致且呈對稱分布；而活載作用下拱橋吊桿左右側(cè)的索力變化差異相對明顯，但兩側(cè)吊桿的索力由于最不利荷載的布置差別較小，整體上仍呈對稱分布；在恒載或活載作用下各吊桿均處于受拉狀態(tài)，其中吊桿索力受恒載影響比活載較大。

(a)恒載作用

(b)活載作用

6 結(jié)論

(1)靜載下拱橋的測試截面撓度、應(yīng)變的校驗系數(shù)均小于1.0，表明拱橋強度、剛度達(dá)到設(shè)計城-A級的安全使用要求，施工控制水平較高；拱橋的測試截面相對殘余撓度、相對殘余應(yīng)變均小于20%，表明拱橋結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)處于彈性階段；拱橋的左右側(cè)各吊桿索力增量的校驗系數(shù)均小于1.0，表明拱橋各吊桿強度滿足設(shè)計城-A級的安全使用要求。

(2)空載下拱橋的豎向振動基頻實測值為4.79Hz，大于相應(yīng)的理論計算值3.86Hz，表明拱橋?qū)嶋H成橋整體結(jié)構(gòu)性能良好。

(3)活載下吊桿的索力變化明顯小于恒載；恒、活載下拱橋左右側(cè)吊桿的索力變化基本一致，呈“M型”對稱分布，且各吊桿均處于受拉狀態(tài)；布置于吊桿結(jié)構(gòu)內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼束能有效改善吊桿受力狀態(tài)，但拱橋長期使用過程中鋼束的預(yù)存力會逐漸減少，因此運營過程中可以通過增加吊桿增強拱橋承載力。

通過理論計算和現(xiàn)場試驗結(jié)果分析,下承式拱梁組合結(jié)構(gòu)橋梁可應(yīng)用于市政橋梁工程, 能達(dá)到設(shè)計強度及變形能力的要求, 但運營過程中需加強吊桿索力監(jiān)控。

通過在下承式拱梁組合結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)上施加與設(shè)計荷載基本相當(dāng)?shù)脑囼灪奢d，了解鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，評定鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的承載能力和使用條件，檢驗設(shè)計與施工質(zhì)量，同時為下承式拱梁組合結(jié)構(gòu)等類似橋梁的設(shè)計及荷載試驗提供參考。