中承式钢管混凝土组合拱桥力学性能试验研究

黄志忠

（郴州市华科建设工程检测有限公司，湖南 郴州 423000）

钢管混凝土结构在 19世纪末即被应用于承压柱中，是将混凝土浇筑进钢管内部的一种结构，在钢管的约束下，内部混凝土处于三向受力状态，混凝土和钢材的性能相互结合。21世纪初，我国建成了以巫山长江大桥、茅草街大桥为代表的一批特大跨径钢管混凝土拱桥[1,2]。本文的试验对象为一座中承式钢管混凝土组合拱桥，是一座专用观光桥，在桥梁设计中充分考虑了桥梁的美观性，在主梁和主拱圈之间设有吊杆，但未设置立柱，这种奇异结构的力学性能值得进一步研究。本文基于主桥部分的静载和动力特性试验结果[3]，验证了该桥结构设计理论的合理性，并将理论值与实际值进行了比较分析。

1 工程概况

某中承式钢管混凝土组合拱桥主桥部分全长200m，位于半径R=400m的圆曲线上，跨径组成为（2×30+80+2×30）m，主跨为80m钢管混凝土组合拱桥，桥宽29.5m，横断面组成为：2.25m（人行道）+2.5m（非机动车道）+0.25m（安全距离）+2×3.5m（车行道）+5.5m（中央分隔带或拱脚、吊杆区）+2×3.5m（车行道）+0.25m（安全距离）+2.5m（非机动车道）+2.25m（人行道）。主梁采用钢箱梁结构，单箱8室截面。在主拱与钢箱梁、斜腿与钢箱梁结合处，设置钢-混结合段。在斜腿主拱结合段长6m，宽22.5m，全桥共两处；斜腿结合段长4m，宽22.5m，全桥共两处。拱肋共有三片，中间为主拱，采用钢管混凝土结构。主拱肋跨径为80m，直径为1.5m，桥面以上高13.7m，桥面以下高8.0m，矢跨比为1/3.687。桥梁结构和截面、吊杆编号如图 1所示。吊杆采用OVMGJ15-15型，破断索力为3906kN。吊杆间距为4.0m，全桥共设置15根吊杆。下部结构采用群桩基础，桩径1.5m。设计荷载为：公路-I级，人群荷载3.5kN/m2。

对比普通的钢管混凝土拱桥，该桥在结构设计上有许多创新的地方，创新之一表现在该桥的四处钢-混组合段，创新之二表现在该桥桥面板以下部分未设置立柱，这种结构上的创新对结构受力的影响尚缺实测数据支撑。本文以该桥的静力测试和动力特性试验为基础，对该桥的实际工作状态、承载能力进行了探讨。

2 静力测试

2.1 概述

通过应变测试、挠度测试和索力测试，可以验证桥梁结构的施工质量、结构的安全性和可靠性，了解桥梁结构的实际工作状态，判断实际承载能力，评价其在设计使用荷载下的工作性能。

2.2 静力测试工况及车辆布置

根据设计图纸，使用midas Civil软件对该桥进行了全面的结构分析计算，按试验荷载效应与设计荷载效应等效的原则，对各测试截面活载内力进行计算分析，确定静载试验时荷载的大小[4-6]。结构有限元计算模型如图2所示。

图1 桥梁结构简图

图2 结构有限元计算模型

本桥静力荷载试验共拟定了9个试验工况，分别为：工况I：B截面最大正弯矩；工况II：C截面最大负弯矩；工况III：F截面最大正弯矩；工况IV：S截面最大负弯矩；工况V：G截面最大正弯矩；工况 VI：H截面最大正弯矩；工况VII：Q截面最大正弯矩；工况VIII：T截面最大负弯矩；工况IX：第63跨跨中截面吊杆最大索力。在工况布置中，为充分验证该桥无立柱段的合理性，在该节段布置了较多测点。静载试验时用汽车车辆直接加载，经计算，静载试验需要装载后总轴重为380kN的加载车8台。

确定静力荷载试验各测试工况的荷载大小和加载位置时，采用静力荷载试验效率ηq进行控制。ηq宜介于0.95～1.05之间，静力试验荷载的效率按式（1）计算，各工况的荷载效率系数见表1。

式中：Ss—静力试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力或变位的最大计算效应值；S—控制荷载产生的同一加载控制截面内力或变位的最不利效应计算值；μ—按规范取用的冲击系数值（该桥理论计算值μ=0.153）；ηq—静力试验荷载效率，应介于0.95～1.05之间。由表 1可知，静载试验效率介于0.95～1.05之间，符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）[7]的要求。

表1 静载试验效率系数表

根据交通部《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）[7]，对加载试验的主要测点（即控制测点或加载试验效率最大部位测点）可按式（2）计算校验系数ζ，以表征桥梁变位（应变）的程度。

式中：Se—试验荷载作用下量测的弹性变位（或应变）值；Ss—试验荷载作用下的理论计算变位（或应变）值。

2.3 静力测试结果

2.3.1 应变测试

分别在桥梁以下位置和方向布置应变测点：钢箱梁B、C、F、G、H截面底部，沿桥梁轴线方向；斜腿 S、T截面上缘，沿斜腿轴线方向；钢管混凝土拱P、Q、R截面下缘，沿拱肋轴线方向。各工况下应变理论值与实测值对比及校验系数见表2～3。

2.3.2 挠度测试

分别在桥梁以下位置和方向布置挠度测点：钢箱梁A、B、C、D、F、G、H、I截面对应桥面位置；钢管混凝土拱 P、Q、R截面底部。各工况下挠度理论值与实测值及校验系数对比见表2～3。

2.3.3 索力测试

本次索力测试，拟采用振动法进行测试。在工况IX作用下对7#、8#、9#吊杆频率进行观测，然后代入式（3）计算吊杆拉力。工况IX作用下各吊杆拉力见表2。

式中：m为单位长度吊杆的质量（kg/m）；l为吊杆的长度（m）；fn为吊杆的第n 阶固有振动频率（Hz）；EI为吊杆的刚度（N·m2）。

表2 吊杆拉力

2.4 静力测试结果分析

（1）各试验工况下，各工况下各测点的实测挠度均小于理论挠度，挠度校验系数均小于1.0，相对残余变位均满足相对残余变位容许值20%的要求。应变校验系数均小于1.0，相对残余应变均满足相对残余变位容许值20%的要求，该桥具有较大的安全储备。

（2）各试验工况下未发现裂缝，表明该桥结构处于弹性工作状态，结构强度、刚度均满足设计规范要求。

（3）工况IX作用下，7#、8#、9#吊杆拉力偏差在-0.7%～+2.7%之间，吊杆拉力增量与理论计算值基本吻合。

表3 各工况下主梁各测点挠度和应变理论值与实测值对比

表4 各工况下主拱圈各测点挠度和应变理论值与实测值对比

3 动力特性测试

桥梁的动力特性可以反映桥梁的整体质量情况、桥面的平整程度和耗散能力的能力，是判断桥梁结构承载特性和运营状况的重要指标。

3.1 测试系统与测点布置

本试验测试系统为：拾振器→电荷放大器→数据采集分析仪→数据采集分析系统→笔记本电脑。脉动试验时，拾振器分别布置在A～O截面；跑车、跳车试验时，拾振器布置在B、H截面；跑车、跳车试验时，在B、H截面布置动位移计。

3.2 模态分析

该桥自振频率理论值与实测值的对比见图4。理论一阶、二阶振型与实测一阶、二阶振型基本吻合，一阶、二阶频率实测值均大于理论计算值，表明该主桥结构的整体刚度优于设计值。

表5 自振频率理论值与实测值对比

3.3 车振分析

3.3.1 跳车试验

第1跨跳车试验时加速度时程曲线及频谱见图3（a），跳车试验实测阻尼比为2.643%，实测频率为 3.157Hz；第3跨跳车试验时加速度时程曲线及频谱见图 3（b），跳车试验实测阻尼比为3.119%，实测频率为2.657Hz。

图3 第1、3跨跳车试验加速度时程曲线及频谱

3.3.2 跑车试验

以20km/h、30km/h、40km/h车速对第一跨、第三跨进行跑车试验时，实测动力系数分别为1.222、1.146、1.187；1.129、1.192、1.362。实测40km/h动位移分析的动力系数波形分析见图4。

图4 实测第一、二跨40km/h冲击系数波形分析图

3.4 动力特性测试结果分析

（1）理论振型与实测振型基本吻合，频率实测值大于理论计算值，表明该桥结构的整体刚度较好，有较强的耐冲击性。

（2）跳车试验结果表明桥梁具备一定的能量耗散性能。

（3）跑车试验荷载作用时，动力系数在1.192～1.362之间，表明试验跨结构反应平稳，无异常现象发生。

4 结论

通过该桥的静载试验、动力特性测试和理论分析，可以得出以下结论：

（1）该桥在设计荷载（公路-I级，人群3.5kN/m2）作用下，结构刚度和强度符合受力性能要求，说明处于弹性工作状态，整体结构安全，有较大的安全储备。

（2）该中承式钢管混凝土组合拱桥设计新颖，采用了新的钢管混凝土组合拱，不仅结构优美，且受力性能良好。此次试验成果可以为同类桥梁的设计和计算提供参考依据。

[1]张辉.中承式钢管混凝土拱桥的结构体系与力学性能研究[D].湖南大学, 2007.

[2]韩林海.钢管混凝土结构[M].科学出版社, 2000.

[3]张俊平, 周建宾.桥梁检测与维修加固[M].北京：人民交通出版社, 2006.

[4]JTG D60-2004, 公路桥涵设计通用规范[S].

[5]JTG D62-2004, 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[6]JTG B01-2003, 公路工程技术标准[S].

[7]JTG/TJ21-2011, 公路桥梁承载能力检测评定规程[S].