某钢管混凝土系杆拱桥静动载试验分析

郑景祥（1.福建省建筑科学研究院;2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州350025）

某钢管混凝土系杆拱桥静动载试验分析

郑景祥1，2
（1.福建省建筑科学研究院;2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州350025）

本文通过对某钢管混凝土系杆拱桥的荷载试验，阐述了钢管混凝土系杆拱桥的荷载试验方法，并对试验结果进行详细分析。分析结果表明，该桥在试验荷载作用下，各控制截面变形与应变校验系数均满足规范要求，结构具有一定安全储备；相对残余应变与变形满足规范要求，恢复情况良好；桥梁实测自振频率与计算值接近，冲击系数较小。以上结论表明桥梁的工作状况良好，满足城-B级设计荷载的要求。

钢管混凝土拱桥静动载应变挠度索力

1 桥梁概况

某钢管混凝土桥，跨径布置为：9m（混凝土实心板桥）+35m（钢管混凝土拱桥）+9m（混凝土实心板桥），主桥为简支下承式钢管混凝土系杆拱，钢管内灌注C50微膨胀混凝土，拱肋采用钢管混凝土拱肋，计算跨径L=35m，计算矢高f=7m，矢跨比为1/5;拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.1670；吊杆采用PES（c）5-055（ρb=1670MPa）成品索，张拉端设在系梁底。设计荷载[1]：城-B级，人群荷载4.0kN/m2。

2 模型建立

根据钢管混凝土系杆拱桥的结构特点进行结构建模[2]。依据设计图纸和现场检查结果，借助有限元结构分析软件Midas/civil建立该桥的空间有限元梁格模型。模型中主梁、拱肋、横撑、横梁采用梁单元模拟，在梁格上按桥面性铺装实际厚度建立板单元，模拟考虑铺装对桥梁的刚度贡献，非结构构件简化为均布荷载施加于从属的杆件上。模型中的材料参数按规范取值。本模型共含梁单元278个，板单元448个，只受拉单元（吊杆）14个，有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

3 静载试验试验方法

3.1 桥梁静载试验工况

考虑桥梁实际使用荷载特点[3]，本次试验选取主跨作为试验跨。根据设计荷载和试验荷载计算结果，本次试验共3个工况，根据桥梁结构现状，本次静载试验采用汽车加载方式，按荷载效率η范围进行计算，确定采用2部45吨重车进行静载试验[4]。本次静载试验荷载效率为0.88～1.04，基本满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）[5]中所规定的0.95≤η≤1.05的要求。各加载工况内容及荷载效率详见表1。

表1 加载工况及荷载试验效率表

3.2 桥梁测试截面布置图

(1)应变测点布置∶应变测试采用振弦式应变计以及振弦读数仪，在主跨左侧纵梁、左侧拱肋和l/2截面处横梁上布置应变测点，应变测点布置见图2～图3。

图2 主跨左侧纵梁、左侧拱肋应变测点布置图

图3 主跨l/2截面处横梁（跨中横梁）应变测点布置图

(2)挠度测点布置：梁挠度测试采用百分表量测，主跨左侧纵梁、左侧拱肋和1/2截面处横梁上布置挠度测点，挠度测点布置见图4～图5。

图4 主跨左侧纵梁、左侧拱肋截面挠度测试点布置图

图5 主跨1/2截面处横梁（跨中横梁）挠度测点布置图

(3)索力测点布置：利用频率法测试吊杆内力是通过测试结构自振频率、分析其自振特性从而得到吊杆的内力的方法。将索力传感器附着于左侧吊杆，拾取吊杆的振动信号，经过滤波、信号放大、谱分析得到吊杆的自振频率，然后根据吊杆内力与吊杆频率间的固有关系来确定吊杆的内力。

4 静载试验结果分析

（1）纵梁、拱肋、横梁应力分析

检测结果表明，所测构件的主要测点应变校验系数在0.52～0.77之间，满足规范要求，卸载后应变恢复良好，表明桥梁处于弹性工作状态，强度满足设计要求。

表2 各构件主要测点应力分析

（2）纵梁、拱肋、横梁挠度分析

检测结果表明，所测构件的挠度校验系数在0.69～0.89之间，满足规范要求，表明桥梁竖向刚度满足设计要求。

表3 各构件主要测点挠度分析

（3）吊杆索力分析

①工况一、工况二检测结果表明，所测吊杆的内力校验系数在0.78～0.82之间，吊杆拉力的实测值与计算值相符较好，表明吊杆受力合理，符合规范及设计要求。

表4 吊杆主要测点内力分析

表5 恒载下吊杆内力测试值汇总表

5 动载试验结果分析

动载试验[6]分为脉动试验（自振特性试验）和强迫振动试验（无障碍行车试验和刹车试验）。自振特性试验：采用环境随机振动法测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动等随机荷载激振而引起的桥梁结构微幅振动响应，以分析桥跨结构的自振特性。强迫振动试验：（1）无障碍行车试验：采用行车试验测定桥跨结构由于车辆行驶引起的桥梁结构的振动响应，以分析桥跨结构的动力响应。（2）刹车试验[7]：采用刹车试验测定桥跨结构由于车辆行驶引起的桥梁结构的振动响应，以分析桥跨结构的动力响应。

（1）自振特性振动试验结果与分析

本次自振特性试验采用频谱分析法，根据测试结果分析可知：桥梁第二跨竖向一阶自振频率为5.08Hz，与有限元模型计算竖向一阶自振频率（5.07Hz）相接近。表明桥梁实际刚度与桥梁模型相吻合，桥梁整体刚度较好。

图6 第二跨实测竖向第一阶振型

图7 第二跨理论竖向第一阶振型

（2）无障碍行车试验及刹车结果分析

本次试验采用一辆载重45t汽车进行无障碍行车试验及刹车试验。试验车辆分别以20km/h、30km/h、40km/h的速度按指定线路通过桥面和在桥面进行刹车试验，测试振动动应变。

无障碍行车试验及刹车试验结果表明，在正常行车及刹车情况下，车辆对桥梁的冲击系数μ=0.06～0.18，小于设计理论冲击系数取值0.27。通行车辆对桥跨结构冲击作用不显著，桥梁结构工作状况良好。

表6 实测冲击系数汇总表

6 结论

（1）桥梁结构在荷载作用下的控制断面内力（应力）、挠度、索力的实测值与理论计算值的比较结果表明，结构控制断面内力与挠度值满足设计与规范要求。

（2）桥梁结构的自振特性及动力响应试验结果表明，结构的实际动力性能良好。

（3）试验观测数据和试验现象的综合分析表明，桥梁整体结构性能处于弹性受力状态，拱肋、系梁受力状况合理，符合设计要求，为该桥今后运营养护及长期健康状况评价提供结构原始参数。

[1]JTG D60-2015，公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[2]陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].北京∶人民交通出版社，1999.

[3]陈宝春.钢管混凝土拱桥实例集[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4]司秀勇，李春雨，金海江.无横撑钢管混凝土拱桥静动载试验研究[J].铁道建筑，2009（5）.

[5]JTG/T J21-01-2015，公路桥梁荷载试验规程[S].北京：人民交通出版社，2015.

[6]王志君.单跨拱桥静动载试验[J].交通世界，2012（9）.

[7]夏建中.芜湖长江大桥成桥静动载试验[J].中国铁道科学，2001.