钢管混凝土拱桥荷载试验分析

2014-04-07程天甫周金枝

山西建筑 2014年5期

程天甫周金枝

(湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430068)

钢管混凝土拱桥施工难度大，结构受力复杂，主拱承受较大压应力，通过荷载试验可以清楚了解钢管混凝土拱桥受力状况，从而评估桥梁结构的使用性能和承载能力，为桥梁的运营管理提供参考。对于钢管混凝土拱桥的荷载试验一般要对拱顶、拱脚、梁体跨中及其他拱肋控制截面应力和挠度、吊杆张力测定。试验工作可分为准备阶段(结构计算、测试截面和加载方式的确定)、加载阶段(现场试验)、分析和总结阶段。

1 荷载试验的依据

本次关于下承式钢管混凝土拱桥荷载试验的依据或参考以下规范和资料来进行:

1)JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范;2)JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范;3)JTG F80 1-2004公路工程质量检验评定标准;4)《公路桥梁承载能力检测评定规程》送审稿;5)《大跨径混凝土桥梁的试验方法》;6)JTG H11-2004公路桥涵养护技术规范。

2 荷载试验的目标

按照上节荷载试验的依据中有关桥梁鉴定、检测的要求，对新建成桥梁进行常规意义上的试验，确定桥梁建造的质量和桥梁的承载能力及运营安全性。因此，通过对桥梁进行荷载试验，达到以下要求:

1)对桥梁的外观、线形进行检查和测量，检查桥梁的建造质量是否满足规范和设计要求;2)通过静载试验，对测试截面的应变分布情况、截面的抗裂性等进行分析，并评估桥梁机构实际承载能力;3)通过分析在荷载试验时实测截面的挠度情况来评估桥梁结构的刚度及整体性;4)通过动载试验，了解桥跨结构的固有振动特性，确定其动力性能;5)建立桥梁“指纹”档案。

3 荷载试验的思路及内容

根据钢管混凝土拱桥的结构特点，与其他同类桥型的荷载试验作为经验，桥梁荷载试验时，首先根据桥梁的实际结构建立模型进行计算分析，对桥梁控制截面、控制内力、加载方式确定，然后在结构控制截面进行有针对性地测点布置。最后对加载试验所得到该测试截面参数与理论检算值进行对比分析，评定结构实际承载能力和工作性能是否满足设计及规范要求。下面以郑州市庞村特大桥为例进行荷载试验分析。试验测点布置见图1，图2。荷载试验主要测试拱肋与梁体截面的应力、挠度，各吊杆张力以及桥梁自振特性与动力特性。

3.1 计算分析

在试验前运用桥梁专用计算软件MIDAS/Civil对桥梁空间构模，进行桥梁结构空间有限元静力计算分析，得出全桥的受力情况。

3.2 试验内容

试验主要包括:1)静载试验。根据钢管拱桥受力特点综合考虑结构类型和结构截面，按各截面最不利荷载进行加载。在试验实施前，对各个试验工况进行详细的理论计算，制订详细的加载方案，防止结构部位出现超载，确保结构安全。本桥为下承式钢管混凝土系杆拱桥，其主要传力路径是:桥面活载等通过桥面系传至纵横梁，再由纵梁的吊杆传至主拱圈(拱肋)，因此，拱肋、吊杆和纵梁为主要受力构件，荷载试验主要测试这些构件在荷载作用下的应力和位移等响应和变化。2)动载试验。动载试验主要对桥梁自身的动力特性的反映。采用动态信号采集分析仪和三向加速度传感器收集桥梁频率、振型、阻尼比以及动挠度、动应力、加速度、冲击系数等，然后进行分析，综合了解桥梁动力特性。

4 静载试验测试

4.1 加载原则

静力试验荷载效率η=Sstat/S×δ应满足0.85＜η≤1.05，其中，Sstat为试验荷载作用下某工况最大计算效应值;S为设计标准活荷载不计冲击作用时产生的某试验工况的最不利计算效应值;δ为设计计算取用的动力增大系数。

4.2 加载方式

对试验荷载应分级施加，以测试荷载效应与荷载的变化关系以及防止桥梁结构意外损伤。试验加载分为4级，荷载逐级增加，达到最大荷载后一次卸载。测试数据时，在保证每一次加载工况稳定的情况下读取数据，该级荷载阶段内结构变位相对稳定后进入下一个荷载阶段。对试验工况中应力水平较高测点采用连续监测，同时对控制断面挠度测点进行同步连续监测，以观测结构变位是否达到稳定。

4.3 试验加载程序

在进行正式加载试验前，用两排载重加载车进行横桥向对称预加载试验，为避免梁体局部产生过大应力，两排车辆后轮间距适当拉开。首先进行预加载，每一加载位置持荷时间不少于20 min。然后预加载卸零，并在结构得到充分的零荷恢复后，再进入正式加载试验。正式加载试验按加载级数依次进行。

4.4 试验过程中安全监测

试验加载时对重点应力(应变)测点、重点挠度测点及主要受力部位的裂缝进行安全监测，如在试验过程中发现以下几种情况中的任一情况，应暂停试验，分析原因，找出原因后再继续加载或终止试验:

1)测得的应力测点和挠度测量点的值有一个值超过规范允许值;2)由于加载，使原有裂缝的长度、宽度急剧增加，新裂缝急剧出现，新出现裂缝宽度超过规范允许值，对桥梁的结构和寿命造成较大影响时;3)发生桥梁其他损坏，影响桥梁承载能力或正常使用时。

5 动载试验测试

动载试验分为脉动试验和行车试验。

5.1 脉动试验

脉动试验是由桥梁结构在风、水流、地脉动等自然荷载下的激振引起桥梁结构振动，在相对封闭的环境(交通封闭、桥梁周围无规则振源等)下，测定结构自振特性。测试时调节振动传感器采用中低频段测量在自然环境下桥梁的响应信号，经过数据和信号的采集分析，可得到桥梁的各阶自振频率和振型值，利用半功率带宽法确定各阶模态阻尼比等桥梁自振特征参数，从而确定桥梁的自身的动力特征。并将实测值与计算值、规范值进行比较和分析，对桥梁的动力特性进行评估。测试的时间选为夜间进行。