大跨度異型復(fù)雜拱橋安全性能評(píng)價(jià)

陳寶林，余忠輝，張道修，明 娟

（深圳市房屋安全和工程質(zhì)量檢測(cè)鑒定中心 深圳 518052）

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國交通運(yùn)輸事業(yè)也迅速發(fā)展。橋梁結(jié)構(gòu)作為交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要樞紐，其優(yōu)良工作性能事關(guān)經(jīng)濟(jì)與民生［1］。為確保橋梁運(yùn)營過程的安全可靠，避免安全事故的發(fā)生［2］，需要對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力和設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量水平作出科學(xué)評(píng)價(jià)，精確有效地評(píng)估橋梁的實(shí)際承載能力具有重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。橋梁荷載試驗(yàn)是判定橋梁承載力性能的一種重要方法［3］，由靜載試驗(yàn)可判斷結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、并可評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，為竣工驗(yàn)收提供重要依據(jù)。將荷載試驗(yàn)結(jié)果與靜力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可判定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)是否與設(shè)計(jì)理論狀態(tài)相符［4-5］。

異型拱橋是一種由普通拱橋發(fā)展而來的新型橋型結(jié)構(gòu)。為滿足橋梁美學(xué)要求，異型拱橋的構(gòu)造形式通常較為獨(dú)特，隨之在結(jié)構(gòu)受力上也較為復(fù)雜［6］，科學(xué)合理的靜載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)將為試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠提供重要保證。本文以某大跨度異型拱橋?yàn)檠芯勘尘?，利用Midas Civil 軟件對(duì)橋梁受力特性進(jìn)行分析，基于有限元計(jì)算結(jié)果合理擬定目標(biāo)異型拱橋的試驗(yàn)方案，以期為相關(guān)異型拱橋承載能力評(píng)定提供有價(jià)值的參考。

1 工程概況

本文選取的某城市跨河道橋梁采用鋼縱橫梁+鋼箱拱組合體系，跨徑為155.0 m，全橋橋?qū)?2～68.894 m，全長165.91 m。橋梁整體采用全鋼結(jié)構(gòu)，鋼拱肋拱腳與主梁焊接；縱梁采用變截面鋼箱梁、橫梁為工字鋼，拱肋在橋跨中部為2 個(gè)六邊形截面拱、在拱腳部位合二為一且過渡為八邊形截面；共設(shè)置81 根吊桿，采用鋼錨箱與中縱梁、邊縱梁連接，吊桿間距4.2 m。全橋鋼拱矢高約35.7 m，投影面矢跨比約為1/4.34。橋梁總體布置及標(biāo)準(zhǔn)橫截面如圖1～圖2所示。

圖1 橋梁總體布置Fig.1 Bridge Structure Layout （cm）

圖2 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫截面Fig.2 Cross Section of Bridge （cm）

2 結(jié)構(gòu)理論分析

采用Midas Civil 軟件建立全橋有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)理論分析。該橋梁采用空間桿系結(jié)構(gòu)模擬，其中拱肋與縱橫梁均模擬為空間梁?jiǎn)卧鯒U采用空間桁架單元，橋面板采用空間板單元進(jìn)行模擬，全模型共劃分為1 520 個(gè)節(jié)點(diǎn)和2 956 個(gè)單元。模型中結(jié)構(gòu)自重、二期恒載均按實(shí)際情況模擬（考慮加勁肋等的影響，結(jié)構(gòu)自重系數(shù)取1.05），汽車荷載等級(jí)為城-A，人群荷載按2.9 kN/m2考慮，溫度荷載、支座位移等均按現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行。橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)整體有限元模型Fig.3 Overall Finite Element Model of Bridge Structure

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型、按相關(guān)規(guī)范規(guī)定的荷載組合拱肋拱頂位置處彎矩值則為13 616.1 kN·m。

3 荷載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 荷載效率計(jì)算

由以上橋梁受力計(jì)算結(jié)果分析可知，該大跨度異型荷載作用下橋梁拱腳正彎矩值最大，因此拱腳最大正彎矩截面需考慮作為靜載試驗(yàn)的控制截面之一。根據(jù)《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范：CJJ/T 233—2015》［7］中條文6.2.2 規(guī)定，對(duì)于無鉸拱橋的荷載試驗(yàn)也需選取拱頂最大正彎矩截面作為控制截面，因此本次靜載試驗(yàn)選擇拱頂最大正彎矩截面和拱腳最大正彎矩截面為控制截面。

測(cè)試截面荷載試驗(yàn)的加載位置根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算確定，采用36 t 重泥頭車進(jìn)行加載（試驗(yàn)過程中保證每輛加載車重量達(dá)到試驗(yàn)要求），本次靜載試驗(yàn)共需加載車輛18輛，其中控制截面拱頂A-A所需加載車12輛，控制截面拱腳B-B 所需加載車18 輛，各截面工況試驗(yàn)加載效率如表1所示。

表1 各控制截面加載效率結(jié)果Tab.1 Results of Loading Efficiency of Each Control Section

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

3.2.1 變形測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)對(duì)加載過程中主梁以及拱頂?shù)膿隙茸冃芜M(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別在中縱梁以及邊縱梁的跨中及兩端支座處布置1 個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)用以測(cè)試跨中撓度，共設(shè)置6 個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為B1～B6；在1#和2#拱頂各布置1個(gè)位移測(cè)點(diǎn)（A1～A2），該橋變形測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 全橋變形測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Deformation Measuring Points of the Whole Bridge

3.2.2 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

在主拱的試驗(yàn)控制截面布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)對(duì)各級(jí)荷載作用下各個(gè)控制截面的應(yīng)力（應(yīng)變）進(jìn)行量測(cè)。此外為監(jiān)測(cè)1#拱肋在加載過程中的受力狀態(tài)，在1#拱肋拱頂處增設(shè)應(yīng)變測(cè)試截面C-C，由此主拱共設(shè)置3 個(gè)應(yīng)變測(cè)試截面，其中A-A和B-B為控制截面。測(cè)點(diǎn)布置方面，A-A 和C-C 各布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)16 個(gè)，B-B 布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)20個(gè)，各應(yīng)變測(cè)試截面位置如圖5所示。

圖5 全橋應(yīng)變測(cè)試截面布置示意圖Fig.5 Strain Testing Section of the Whole Bridge

4 靜力荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析

在試驗(yàn)荷載作用下，各測(cè)試截面位移及應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如表2～表3 所示，位移應(yīng)變實(shí)測(cè)值及理論值之間的對(duì)比如圖6～圖7所示。

圖6 位移實(shí)測(cè)值及理論值之間的對(duì)比Fig.6 Comparison between Measured and Theoretical Displacement Values

圖7 應(yīng)變實(shí)測(cè)值及理論值之間的對(duì)比Fig.7 Comparison between Measured and Theoretical Strain Values

表2 位移測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析Tab.2 Data Analysis of Displacement Measuring Points（mm）

表3 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析Tab.3 Data Analysis of Strain Measuring Points （με）

根據(jù)表2、圖6可知，邊梁和中梁測(cè)試截面撓度值分別為42.60 mm、16.07 mm，與跨徑之比分別為1/3 638、1/9 644，小于《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D64—2015》［8］中1/500 的要求；邊梁、中梁、拱頂測(cè)試截面撓度（位移）校驗(yàn)系數(shù)分別為0.71、0.93、0.64，滿足《公路橋梁承載力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程：JTG/T J21—2011》［9］關(guān)于撓度校驗(yàn)系數(shù)小于1.0的要求；各測(cè)試截面相對(duì)殘余變位為0.0%、4.4%、9.4%，也滿足文獻(xiàn)［9］關(guān)于相對(duì)殘余變位（應(yīng)變）小于20%的要求。

根據(jù)應(yīng)變數(shù)據(jù)分析可知，1#拱拱頂測(cè)試截面的校驗(yàn)系數(shù)為0.52，拱腳測(cè)試截面的校驗(yàn)系數(shù)為0.59，也均滿足文獻(xiàn)［9］關(guān)于應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)小于1.0的要求；各測(cè)試截面主要測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余應(yīng)變最大6.4%，也滿足文獻(xiàn)［9］關(guān)于相對(duì)殘余變位（應(yīng)變）小于20%的要求。

5 結(jié)語

⑴對(duì)于大跨度異型復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)，通過有限元法分析結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)而制定荷載試驗(yàn)方案，可以更準(zhǔn)確地對(duì)橋梁的承載能力與技術(shù)狀況進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

⑵制定了異型拱橋變形測(cè)點(diǎn)及應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置方案，可為同類型橋梁的荷載試驗(yàn)方案提供有價(jià)值的參考。

⑶靜力荷載作用下，撓度（位移）、應(yīng)變實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)小于1，相對(duì)殘余小于20%，滿足文獻(xiàn)［9］要求。試驗(yàn)結(jié)果表明橋梁受力性能良好，其剛度、強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。