大跨度CFST系杆拱桥静动载试验分析研究

卜志鹏

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

由于建造桥梁的材料性能、结构效应等影响，使得实桥结构的各关键参量与理论结算结果存在较大差异，为研究大跨度桥梁结构的运营荷载作用下结构的工作状态，荷载试验[1]作为最直接的测试方法被广泛应用.荷载试验是通过对桥梁结构直接加载，并进行实时测试与分析，获得实际结构的特征效应值及关键参量，将其评价结果作为实桥结构性能评价和判定主要依据.

文献[2-5]对不同跨度、不同形式的系杆拱桥的成桥进行了荷载试验分析和研究，但是针对大跨度单跨钢管混凝土系杆拱桥的研究相对较少.本文以1座主跨跨径128m的CFST系杆拱桥为研究对象，进行了实桥静动载试验研究，旨在检验该新建桥梁结构的设计和施工质量，确定其工程可靠性.此外，通过对比静动载试验结果与有限元计算结果，为对桥梁有限元分析模型修正提供可靠的静动载试验数据.

1 工程概况

跨黄延高速大桥是包西铁路跨越黄陵至延安的重要铁路工程，主桥位于线路平均纵坡为7.73‰的坡道上，按照正拱斜置设计.主桥上部结构为钢管混凝土系杆拱，拱轴线方程为:Y=0.8X-0.006 25 X2，矢跨比 f/L=1/5.横桥方向设置两道拱肋，拱肋中心间距13.05 m.拱肋截面为外径130 cm，壁厚26 mm的钢管混凝土哑铃型截面，拱肋截面高 3.5 m，上下弦管中心距 2.2 m.拱肋上下弦管间缀板厚 26 mm，缀板间距70 cm，缀板间除拱脚面以外6 m范围及吊杆纵向1.5 m范围灌注混凝土外其余均不灌注混凝土.拱肋间共设7道一字型横撑和2组K形对角撑，各横撑和对角撑均为空钢管组成的桁式结构.横撑上、下弦管外径850 mm，壁厚16 mm；K形对角撑上、下弦管外径600 mm，壁厚12 mm.横撑和K形角撑之间的腹杆分别采用外径500 mm，壁厚10 mm和外径400 mm，壁厚8 mm的钢管连接.两片拱肋共设17对吊杆，吊杆中心间距6.25 m，每处吊杆均由双根73丝φ7 mm的平行钢丝束组成.主梁为预应力混凝土单箱三室简支箱梁，全长 131 m.主梁顶板宽16.35 m，底板宽13.69 m，梁高3.0 m.该铁路大桥拱肋内填混凝土和主梁混凝土等级均为 C55，钢管材料等级为 Q345qE，吊杆材料是抗拉强度标准值为1 570 MPa的光面钢丝.铁路桥面布置为双线，铁路等级为国铁Ⅰ级，设计荷载为中-活载，设计行车速度200 km/h，地震动峰值加速度0.05 g.桥梁结构立面图如图1所示，其中A-A～G-G为测试截面.

图1 桥梁结构立面图 (单位: cm)Fig.1 Bridge structure elevation (unit: cm)

2 有限元模型建立及静动载试验方案

2.1 有限元模型建立

为模拟大跨度CFST系杆拱桥在静动载作用下桥梁结构的工作状态，全面综合评价该类桥梁结构的静力及动力性能，利用大型通用有限元软件ANSYS建立主桥空间计算模型.由于试验荷载作用下结构各构件常处于弹性工作状态，为便于分析，将主拱拱肋、横撑和主梁均简化为空间梁单元，忽略钢管与内填混凝土的粘结滑移效应，采用BEAM188单元进行模拟.拱肋单元截面采用强度和截面特性等效的哑铃型混凝土截面，主梁截面为实际的单箱三室截面，混凝土弹性模量 Ec=3.55×104MPa，泊松比v=0.2，密度ρ=2 600 kg/m3；通过对吊杆钢束进行等效强度换算，采用LINK10杆单元进行模拟分析，钢束弹性模量Es=2.05×105MPa，泊松比v=0.3，密度ρ=7 800 kg/m3.为考虑节点刚域效应，将拱肋与横撑间的连接用刚性连接模拟，吊杆与拱肋和吊杆与主梁间的连接用弹性连接模拟.由于拱脚与主梁连接处刚度较大，应力分布均匀，因而可通过局部增大单元刚度方法来模拟拱座处单元的连接.下承式系杆拱桥在拱脚与主梁的连接为设计关键点，为避免在该处出现破坏薄弱点，通常会加强处理，因而在分析中可通过将拱座处拱肋单元和主梁单元的刚度提高3～5个数量级用以考虑局部刚性区域效果，忽略结构在该处变形和内力分布的影响.结合原桥结构支座设置，在包头侧设置固定铰支座，西安侧设置沿纵桥向的可动支座，用以模拟系杆拱桥为简支结构的力学模型.全桥共划分为945个单元，3024个节点.图2为ANSYS有限元分析模型.

图2主桥有限元模型Fig.2 Finite element model of the main bridge

2.2 静载试验方案

（1）荷载工况根据下承式系杆拱桥的结构特点，结合有限元静力分析结果，为便于静载试验的顺利进行，取主桥西安端半桥跨结构进行静力加载.静载试验包括偏载加载和正载加载；各加载工况，先进行偏载试验，再进行正载试验.以DF8B机车牵引C70货车作为荷载实体对结构进行加载.主桥静载试验工况如表1所示.

（2）测点布置及测试

测试项目及测点位置如下：主拱拱肋L/4、L/2、3L/4附近吊杆处以及主梁L/4、L/2及3L/4附近各布置 2个挠度测点，上下游侧对称布置，共计 12个测点.A-A～C-C单侧拱肋每个截面顶部和底部处各布置2个应力测点，侧面顶部下65 cm和底部上65 cm处各布置2个应变测点，两侧拱肋应变测点对称布置，单侧拱肋共计24个测点；D-D截面及E-E截面顶板下缘各布置6个应变测点，底板上缘各布置6个应变测点，共计24个测点.全桥共计72个应变测点.

表1 静载试验工况Tab.1 Conditions of the static loading test

2.3 动载试验方案

（1）荷载工况

动载试验主要针对静载试验选取的半桥跨结构进行，工况选取截面 B-B、C-C、E-E进行.动载试验主要包括脉动试验、行车试验和制动试验.行车试验时按20、40、60、80 km/h的速度工况进行，制动试验时按40、50、60 km/h的速度工况进行.

（2）测点布置及测试

测点布设位置及测试项目如下：B-B和C-C各截面顶部和底部各布置1个动应变测点；E-E截面顶板下缘布置2个动应变测点，底板上缘布置2个动应变测点.全桥共布设动应变测点12个.

3 静载试验及有限元结果分析

3.1 静载作用下结构挠度分析

根据预定静载试验荷载工况，分析各挠度测点数据.图 3给出了工况Ⅰ状态下各测点挠度及吊杆伸长量实测值及有限元计算值，挠度数据向下为负.

由图3可知，各测点实测结果略小于有限元计算结果，这主要是由于有限元方法的系统误差造成，有限元计算结果偏于安全，计算结果有效.对各静载工况作用下桥梁结构测点结果分析表明：桥跨结构挠度的实测值与有限元计算值校验系数为0.52～0.91，吊杆伸长量校验系数0.70～0.91，符合规范[6]限值要求，表明桥跨结构具有足够的刚度.

图3测点挠度实测值与计算值Fig.3 Measured and calculated values of deflection

3.2 静载作用下结构应力分析

根据应变测点布设，将测试得到的应变换算为应力，以结构最不利承载状况的静载工况Ⅰ，Ⅳ为例，试验截面部分测点应力结果如表2所示.

分析各测点应力结果可知，测点应力较小，桥梁结构具有足够的强度．此外，桥跨结构应力实测值与计算值吻合较好，结构应力校验系数介于0.60～0.90之间，满足规范[6]限值要求.

表2 应力实测值与计算值Tab.2 Measuredand calculated values of the stress

4 动载试验及有限元结果分析

4.1 结构自振特性结果

主桥自振特性测试及有限元计算结果如表3所示.从实测结果可以看出：

（1）主拱横向基频0.830 Hz大于规范[1]中规定简支梁基频的限定[f]=90/L=0.703 Hz，实测横向基频大于规范规定值，表明该桥梁结构横桥向刚度较大，结构稳定性较好.

（2）频率计算值与实测值较吻合，且实测值均大于计算值，表明有限元计算结果偏于安全.实桥结构阻尼比的实测值介于0.023～0.059，符合桥跨结构实际情况.

表3自振特性测试结果Tab.3 Test results of the vibration characteristics

4.2 加速度响应分析

通过对对动载作用下结构测试点加速度响应结果分析知，1#墩制动激振类型引起的结构加速度响应较大，对比各测点测试结果以E-E截面加速度响应最大，图4给出了主梁E-E截面处的竖向和横向加速度正、负响应峰值.由图4可知：

(1)E-E截面下行线附近处桥面竖向加速度响应介于-1.26～1.11m/s2，横向加速度响应介于-0.39～0.41m/s2；

(2)结构加速度响应峰值随机车制动速度的增大而减小，制动速度在40 km/h时桥跨结构横向加速度响应在跨行总桥面处达到最大值0.41 m/s2，该响应小于规范[1]中规定的横向加速度限值1.4 m/s2，表明桥跨结构横向动力性能良好.

图4E-E截面实测加速度Fig.4 Measured acceleration at E-E cross section

4.3 振幅测试结果分析

通过对主桥各测点振幅测试结果分析，D-D截面处竖向振幅和E-E截面处横向振幅相对较大，图5给出了该两测点处竖向和横向的振幅幅值.

根据规范[1]，参照预应力混凝土简支梁，桥梁E-E截面横向最大振幅应满足：Amax≤L/9 000=14.22 mm，其中L=128 m为桥梁结构计算跨径.实测E-E截面横向最大振幅为0.41 mm，小于规定限值，满足规范要求.桥梁墩顶横向振幅通常值应满足：当车速≤60 km/h时，Amax≤H/30+0.2=0.57 mm；当车速＞60 km/h时，Amax≤H/25+0.4=0.84 mm；其中H=11 m为墩高.经检算，不同时速下的桥梁墩顶横向振幅满足检定规范要求.

图5 E-E截面振幅及D-D截面横向振幅Fig.5 E-E vertical amplitude and D-D horizontal amplitude

4.4 脱轨系数及应变动力系数结果分析

通过对各动载工况作用下钢轨脱轨系数进行测试，结果表明：不同车速和激振工况下机车作用的脱轨系数为0.07～0.15，货车作用的脱轨系数范围0.05～0.18.结合规范[7]规定的脱轨系数限值，该桥跨结构的实测脱轨系数远小于规范规定限值 0.8，满足行车安全性要求.

根据动载工况作用下各应变测点实测结果分析知，主拱拱肋 L/4截面各测点应变动力系数为1.01～1.14；C-C截面各测点应变动力系数为1.01～1.09；E-E截面各测点应变动力系数为1.01～1.17.此外，结合实测数据分析得到在制动速度为50 km/h的动载作用时，桥跨结构E-E截面的冲击系数达到最大值 1.17，实测应变冲击系数较大，表明行车制动对桥跨结构的冲击作用较明显.

5 结论

本文对包西铁路跨黄延高速公路单跨128 m的CFST系杆拱桥制定和实施荷载效率为0.58～0.74的静动载试验，测试并研究了桥跨结构关键参数，通过与ANSYS有限元分析结果对比分析，得到以下结论：

（1）静载工况下，结构挠度和应力校验系数均处于合理范围，表明该桥跨结构具有足够的刚度和强度，满足桥梁设计要求.

（2）动载作用下的测试结果表明，大跨度CFST系杆拱桥横向刚度较好；机车制动对桥跨结构的制动作用明显；桥跨结构跨中最大振幅和脱轨系数均小于规范规定，满足规范变形要求和行车安全性要求；桥梁墩顶横向振幅最大值满足规范要求.

（3）结构各关键参量的有限元计算值与荷载试验实测值吻合较好，有限元分析方法能够准确反映结构静力和动力性能.

综上所述，跨黄延高速公路单跨 180m CFST系杆拱桥具有足够的强度和刚度，动力性能良好，能够满足设计的荷载等级和运营要求；有限元计算结果与结构实测结果较吻合，可利用有限元分析方法反映桥跨结构的静力及动力性能.

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