清水江大桥成桥荷载试验研究*

2016-12-12周磊杨成铭丁瑞

公路与汽运 2016年6期

关键词：系杆主桥吊杆

周磊，杨成铭，丁瑞

（贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司，贵州贵阳 550000）

清水江大桥成桥荷载试验研究*

周磊，杨成铭，丁瑞

（贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司，贵州贵阳 550000）

结合清水江大桥交工检测，介绍了大跨径钢管砼系杆拱桥静载试验、动力荷载试验的方法和过程，并对静、动载参数实测值和计算值进行了对比。结果表明，该桥控制截面测点各参数实测值跟计算值较吻合，结构强度和刚度满足设计要求，结构动力响应也正常。

桥梁；钢管砼拱桥；刚性系杆刚性拱；荷载试验；检测评定

钢管砼结构具有结构美观、跨越能力较大等优势，加上可以解决部分钢材产能过剩问题，在建设条件允许的情况下，中国各级政府更愿意建设这类桥型，故钢结构桥梁具有更好的应用前景。目前，钢管砼荷载试验评价体系不够完善，不同跨径桥梁可能受力性能各异。该文结合工程实例，介绍刚性系杆刚性拱的静、动载试验，以期对这类桥梁的荷载试验过程及评价提供指导和参考。

1 工程概况

清水江大桥是贵州省凯里滨江休闲道路（玻璃厂至镰刀湾段）的控制性工程，跨径组合为（2×32.5 +110+2×32.5）m，其中2×32.5 m为现浇箱梁结构，主跨110 m为钢管砼系杆拱桥，桥面为钢-砼组合结构，属于刚性系杆刚性拱。主桥立面见图1，其断面见图2。

图1 清水江大桥主桥立面及静载试验测试截面和变形测点布置（单位：cm）

图2 清水江大桥断面及静载试验变形和应变测点横向布置

主拱肋采用单圆钢管砼，钢管外径1.5 m，标准节段壁厚24 mm，拱脚段局部壁厚28 mm，钢管内灌C55自密实微膨胀砼。全桥共2条拱肋，拱肋中心间距28 m。主拱肋横向设有5道一字式径向横撑，横撑采用直径0.92 m钢管，壁厚14 mm。吊杆采用15.2 mm环氧喷涂钢绞线挤压成型为吊杆索体，极限抗拉强度为1 860 MPa，两端采用定型耐久性锚具。吊杆布置间距为10 m，全桥共20根吊杆。

桥道系采用钢-砼组合梁，钢梁结构由钢纵梁、次纵梁、吊点钢横梁、次钢横梁及组合砼桥面板构成。钢纵梁为箱形截面，宽度1m，中心高度约2.05 m，两片主拱肋处各设1道钢纵梁，全桥共2道钢纵梁。次纵梁为工字形截面，设置于主桥中心线处，全桥共设置1道。吊点钢横梁为工字形截面，长约27 m，每个吊点位置布置1道，顺桥向间距10 m。吊点钢横梁间设置2道次钢横梁，间距3.33 m。组合桥面板采用C40钢纤维砼，标准厚度12 cm，在纵横钢梁处局部设置承托变化到22 cm，钢顶板设置

焊钉与砼桥面板连接，砼桥面板底部设置8 mm厚钢板作为底板，钢底板上设置带孔钢板（PBL剪力连接件）。

桥梁设计技术标准为汽车城市A级、人群3.5 k Pa。桥面宽度为1.25 m吊杆区+2.5 m人行道+10 m行车道+1.5 m中央分隔带+10 m行车道+2.5 m人行道+1.25 m吊杆区。

2 静载试验

2.1 测试内容

结构计算荷载标准采用公路Ⅰ级六车道，按规范进行横向折减，继而进行车辆荷载布置，测试加载工况下系杆、横梁和拱肋控制截面的应变、系杆变形、拱肋变形、吊杆频率增量等参数，观察控制截面在加载过程中是否产生巨响或异常变化。荷载效率见表1。

2.2 测点布置及加载车位置

主桥静载试验共设置9个测试截面，其中：拱肋设置3个应变测试截面，分别为拱脚最大正弯矩截面J1、L／4截面J2、拱顶J3截面，各截面拱圈顶部4个测点、底部4个测点；系杆设置2个应变测试截面，分别为L／4截面Y2、3L／4截面Y2′；横梁设置4个应变测试截面，分别为P1吊杆横梁截面、P3吊杆横梁截面、P5吊杆横梁截面、P8吊杆横梁截面，测点布置在中央分隔带下横梁。各测试截面应变测点布置见图1、图2，加载车位置见图3。试验采用38 t加载车8台，加载车前轴8 t，中后轴30 t，试验前对加载车进行过磅称重。各工况采用三级加载，一次卸载完毕。

表1 主桥静力试验荷载效率

2.3 测量结果

2.3.1 挠度

各工况下，主桥实测桥面最大弹性挠度为30.76 mm，挠度结构校验系数为0.50～0.89；主桥实测拱肋最大弹性挠度为20.00 mm，挠度结构校验系数为0.51～0.93。表2为工况3荷载作用下主桥左幅桥面变形检测结果，其挠度曲线见图4。从图4来看，工况3作用下主梁挠度曲线连续、平滑，与计算值具

有一致的规律，残余值也在规范要求范围内，表明结构具有良好的整体刚度。

图3 静载试验加载车布置（单位：cm）

表2 主桥工况3作用下左幅桥面挠度检测结果

图4 工况3作用下主梁挠度曲线

2.3.2 应变

在各工况荷载作用下，各截面部分应变检测结果见表3～5。应变校验系数为0.50～0.83，与计算值具有一致的规律，同时残余较小，说明结构处于线弹性工作状态，结构强度满足设计要求。

表3 拱肋应变检测结果

表4 横梁应变检测结果

表5 系杆应变检测结果

3 动载试验

3.1 测试内容与测点布置

主桥动力特性测试主要检测固有频率，测试截面动力响应检测包括动应变、振动速度、冲击效应。进行5种车速无障碍跑车、跳车和脉动等工况试验，试验程序见表6。

表6 动力试验程序

主桥动载试验共设置3个测试截面，分别为右幅拱肋L／4截面J2、右幅拱肋拱顶截面J3、右幅系杆跨中截面J5，各测试截面测点布置见图5。

图5 动力试验测试断面及测点布置（单位：cm）

3.2 频率测试

3.2.1 主跨振型计算结果

采用MIDAS／Civil有限元空间模型计算结构

动力特性，主跨竖向弯曲理论振型见图6。

图6 主跨竖向弯曲理论振型

3.2.2 跳车及脉动实测结果

在主跨J2、J3截面通过跳车使结构产生自由振动，用高灵敏加速度计拾取结构自振信号，通过分析计算得到结构的固有频率和阻尼比；通过对脉动信号的分析处理，识别结构的自振频率。图7和图8分别为跳车自振、脉动信号频谱分析结果，表7为主桥动力特性实测结果。

从表7可见，实测1～5阶频率与计算值比较接近，显示出较好的规律性。

图7 实测J2截面跳车自振频谱

图8 实测右幅系杆跨中截面脉动信号频谱

表7 主桥动力特性检测结果

3.2.3 动力响应测试

在桥面无障碍的情况下，采用2辆加载车以桥轴线为对称轴并排匀速通过桥梁，行驶速度为10～50 km／h，通过测定振动速度、动应变，考察不同车速作用下测试部位的动力增大效应。试验结果见图9、图10和表8。

图9 实测J2截面30 km／h跑车信号频谱

图10 实测J2截面10 km／h跑车动应变图

表8 跑车试验动力响应检测结果

通过对动应变时间历程曲线的计算，得到测试截面的应变增大系数：

式中：εdmax为最大动应变；εjmax为最大静应变；εp为动应变信号半峰值。

k值反映移动荷载对结构的冲击效应，图11为测试截面应变增大系数随车速的变化。

图11 应变增大系数随车速的变化

4 结论

（1）在静力荷载作用下，清水江大桥主梁挠度、应变、索塔位移和索力等实测值具有较好的规律性，跨中截面没有产生裂缝，满足设计荷载的正常使用要求。在动力荷载作用下，实测1～5阶频率与计算值的比值为1.00～1.189，实测动应变影响线与计算值具有较高的吻合度，行车试验的应变增大系数为1.00～1.185，无障碍行车时汽车对大桥结构的冲击较小。

（2）钢-砼组合结构桥面纵横梁参与结构受力，在建模计算时需充分考虑其刚度。

（3）对于刚性系杆刚性拱，主拱圈和系杆都承担较大内力，在制订试验计算方案和现场实测时都应进行相应荷载效应布载测试。

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