下承式钢筋混凝土系杆拱桥的荷载试验

高智勇

摘要：荷载试验可以检验桥梁结构的实际工作状态及承载能力是否满足设计要求，本文介绍了某下承式钢筋混凝土系杆拱桥的静动载荷载试验，并给出相应的试验结论。

关键词：下承式 系杆拱桥 荷载试验

Abstract: the load test can verify whether the actual working state and bearing capacity of the structure of the bridge meet the design requirements, this paper introduces a concrete-filled static and dynamic load of reinforced concrete arc bridge load test, and corresponding experimental conclusion is given.

Key words: concrete-filled arc bridge load test

中图分类号：U448.2文献标识码：A

一、试验桥梁概况

试验桥梁跨越通吕运河，为三跨下承式钢筋混凝土系杆拱桥，桥长58m，桥宽30.0m，横向设计为4个机动车道，2个非机动车道，2个人行道。主跨每榀拱肋设15根成品吊杆，吊杆间距为5.0m。拱肋截面为工字型截面，截面高1.4m，系梁为工字型截面，截面高1.5m。设计荷载为城-A级。试验选择跨中结构进行，试验桥梁结构如图1所示。

图1 试验桥梁结构立面图

二、静载试验

（一）、试验项目、测点布置和试验工况

静载试验测试项目为控制截面在试验荷载下的挠度与应力，根据本桥结构特点以及以往试验经验,测试项目选择拱肋1/4截面、拱肋1/2截面、系梁1/4截面、系梁1/2截面的应力与挠度，以及拱脚截面的应

力。测试截面如图2所示。

图2主桥测试截面位置示意图

拱肋和系梁各截面的混凝土表面应力采用稳定性好、精度高并适合于野外环境的振弦式应变计进行测量，主要测试控制截面的应力分布规律和受力性能。应变传感器布置示意图见图3和图4。

图3 系梁截面应力测点布置图 图4拱肋截面应力测点布置图 图 5拱肋截面挠度测点布置图

拱肋竖向挠度，通过在拱肋顶面布置棱镜，采用徕卡2003全站仪进行三角高程测量，测点布置示意图如图5所示，系梁挠度采用在桥面上布设测点，用电子水准仪进行测量。

对于等效荷载的加载效果，应使控制截面的控制内力达到规定的荷载试验效率，使荷载效率η满足试验大纲0.8≤η≤1.05的要求。根据根据主桥活载作用下的内力计算结果，全桥静载试验分为2个工况：①主跨1/4附近截面附近拱肋最不利正弯矩（挠度）的加载试验，分别测量加载前、加载后及卸载后1-1和4-4截面应力，以及2-2、5-5截面应力、挠度。②主跨跨中附近截面附近拱肋最不利正弯矩（挠度）的加载试验，分别测量加载前、加载后及卸载后1-1和4-4截面应力，3-3和6-6截面应力、挠度。每一工况采用对称加载和偏载两种加载方式。

（二）、试验结果与分析

静载试验采用32t三轴载重车车进行等效加载，并采用校验系数验证试验结果和结构安全度,校验系数，是试验荷载作用下的测量数值, 是试验荷载作用下的理论计算数值。

挠度测试数据见下表1，挠度变化向下为负。

表1各工况加载作用下测点挠度数据分析表（单位：mm）

测试工况 截面 加载部位 测点位置 对称挠度 偏载挠度 理论挠度 校验系数

工况1 拱肋 跨中 左侧 -7.51 -7.12 -9.41 0.80

右侧 -7.34 -7.46 -9.41 0.78

桥面 跨中 左侧 -7.42 -7.26 -10.54 0.70

右侧 -8.08 -7.45 -10.54 0.77

工况2 拱肋 四分之一

截面 左侧 -6.92 -6.58 -7.85 0.88

右侧 -6.27 -6.36 -7.85 0.80

桥面 四分之一

截面 左侧 -7.62 -7.58 -9.26 0.82

右侧 -7.65 -7.56 -9.26 0.83

工况1下各控制截面应力测试数据见表2，工况2下各控制截面的应力测试校验系数在0.64～0.82之间、

表2工况1应力测试结果分析表(单位：MPa)

截面号 测点位置 对称加载（MPa） 偏载加载（MPa） 理论值

（MPa） 校验系数

左侧

1/4系梁截面 底部 -4.45 -3.35 -6.08 0.73

-4.12 -3.24 -6.08 0.68

右侧

1/4系梁截面 底部 -4.24 -5.12 -6.08 0.70

-4.36 -4.89 -6.08 0.72

左侧拱肋

1/4截面 顶部 3.14 3.36 4.39 0.72

2.98 2.14 4.39 0.68

底部 -2.57 -3.01 -4.25 0.60

-2.39 -2.24 -4.25 0.56

左侧0#台

拱脚截面 顶部 2.84 2.25 3.62 0.78

2.96 2.37 3.62 0.82

底部 -3.13 -2.83 -4.67 0.67

-3.32 -3.02 -4.67 0.71

左侧1#台

拱脚截面 顶部 -0.39 -0.32 -0.57 0.68

-0.34 -0.28 -0.57 0.60

底部 -0.58 -0.49 -0.73 0.79

-0.52 -0.41 -0.73 0.71

右侧拱肋

1/4截面 顶部 3.35 3.88 4.39 0.76

3.07 3.69 4.39 0.70

底部 -2.64 -3.23 -4.25 0.62

-2.52 -2.94 -4.25 0.59

左侧0#台

拱脚截面 顶部 3.05 3.79 3.62 0.84

3.24 4.01 3.62 0.90

底部 -3.32 -3.54 -4.67 0.71

-3.65 -3.68 -4.67 0.78

右侧1#台

拱脚截面 顶部 -0.42 -0.47 -0.57 0.74

-0.38 -0.43 -0.57 0.67

底部 -0.60 -0.69 -0.73 0.82

-0.56 -0.62 -0.73 0.77

在各试验工况荷载作用下，各控制截面在卸载后的相对残余变形见表3所示。

表3各工况下测点相对残余变形表（%）

测试工况 截面测点号 对称加载

工况1 1 3.02

2 3.35

3 8.06

工况2 1 6.75

2 8.87

3 6.17

由表1可知，在试验荷载作用下：①主桥各工况下挠度控制截面挠度实测值均小于理论计算值，其挠度校验系数小于1.0，且处于常值范围内，满足试验方法的要求，表明结构整体刚度满足设计要求；②各挠度控制截面的最大实测挠度为-8.08mm，远小于规范规定的L/600，表明结构整体刚度较大；③底板两侧的挠度差值较小，结构的整体刚度较好。

由表2可知，在试验荷载作用下，各控制截面应力实测值均小于理论计算值，其顶(底)板拉应力校验系数小于1.0，且处于常值范围内，这表明其强度满足设计要求。

由表3可知，在试验荷载作用下各测试断面卸载后相对残余变形较小，均在《大跨径混凝土桥梁的试验方法》规定的20%以内，说明结构产生的挠度能够得到恢复，结构处于线弹性工作状态。

三、动载试验

（一）、试验内容

动载试验内容包括车辆激励试验和自振特性测试试验两部分。车辆激励试验又包括行车试验、跳车试验和刹车试验，车辆试验的测试截面一般选择在活载作用下结构受力最大的位置。脉动试验是在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，通过高灵敏度动力测试系统测定桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微幅振动响应，测得结构的自振频率、振型和阻尼比等动力学特征。

（二）、试验结果与分析

脉动试验采集的各测点时域波形图，通过传函分析和模态拟合，可以得出主桥的自振频率和阻尼比如表4所示。典型测点的时程波形如图6所示。

跑车试验采集了一辆载重30吨的自卸车以时速10～20km/h桥面上行驶时各测点的应变动态变化量时程曲线，典型时程曲线见图7示。

表4主桥自振特性实测值与理论计算值对比表

频率阶数 自振频率 阻尼比（%） fmi/fdi

实测值fmi 计算值fdi

1 2.72 2.05 2.23 1.33

图65号测点时程波形曲线图 图7 10km/h跑车时测点应变时域波形图

通过分析得到桥跨结构在不同车速作用下的冲击系数μ， 实测冲击系数如表5所示，其值介于0.008～0.388。

表5冲击系数测试结果

序号 车速(km/h) 实测冲击系数(μ)

1 跑车10 0.014

2 跑车20 0.008

3 刹车10 0.265

4 刹车20 0.143

5 跳车10 0.298

6 跳车20 0.388

由表4可知，试验桥梁的实测1阶自振频率值均略大于计算值，表明结构的整体刚度较大，满足设计要求；自振频率是结构的固有特性，反映结构的整体刚度，本次试验桥梁的竖向一阶基频实测值2.72Hz可作为今后检查的一个参考指标；跑车时动力放大系数均处于规范推荐的冲击系数范围之内，没有较大冲击现象发生。

四、试验结论

（一）、该桥各控制截面在试验荷载作用下应力实测值均小于理论计算值，即应力校验系数小于1.0，这表明其强度满足设计要求；

（二）、该桥各控制截面在试验荷载作用下挠度实测值均小于理论计算值，即挠度校验系数小于1.0，满足试验方法的要求，表明结构整体刚度满足设计要求；

（三）、在偏载作用下，该桥各控制截面的实测横向挠度分布及应变分布与理论值趋势较为一致，表明各板梁横向共同工作的性能较好；

（四）、该桥各截面卸载后的相对残余变形结果可以看出，在试验荷载作用下，各测试断面卸载后的相对残余变形均小于20%，在规范允许的范围内，说明结构产生的挠度能够得到恢复，表明结构处于线弹性工作状态；

（五）、由模态试验基频和理论计算值对比可以看出，试验桥梁的实测1阶自振频率值均略大于计算值，表明结构的整体刚度较大，满足设计要求；

（六）、 跑车时动力放大系数均处于规范推荐的冲击系数范围之内，没有较大冲击现象发生。

参考文献：

[1] 贺彪，李晓宇；钢筋混凝土系杆拱桥的荷载试验方法研究；桥涵工程[J]；2006年第07期

[2] 黄海华，陈建辉；某系杆拱桥荷载试验分析；建筑监督检测与造价；2008年02期

[3]黄新卫；城市钢管混凝土系杆拱桥的荷载试验；广东公路交通[J]；2010年第01期