某系杆拱桥荷载试验研究

张炜

1 概述

在系杆拱桥检测中，静载试验是评定系杆拱桥力学性的最有效的方法。

2 工程概况

彩虹桥为钢管混凝土吊杆拱桥，全桥长50.38m，钢管拱肋计算跨径为38.88m，矢跨比为1/4.5，拱轴线采用二次抛物线。拱轴横断面为双圆加腹板的哑铃型断面，桥面总宽为26.4m，设计荷载为：城-B级车辆荷载，按汽车-20级，挂车-100级校核。

3 结构有限元模型的建立

系杆拱桥是由拱肋、系杆、横梁及桥面板组成的空间受力体系，系杆拱桥在外荷载作用下，主要受主拱圈轴力和弯矩、系杆及横梁弯矩及剪力，因此这些是桥梁荷载试验中的主要控制截面。由于系杆拱桥结构复杂，需要各构件协同作用，因此为有效的分析结构受力，本桥采用Midas Civil空间杆系模型进行结构静力计算、活载效应计算及相应的加载效率计算。模型共计1237个节点和5387个单元。

4 静载试验分析

4.1 测试断面的确定

为有测试各构件的性能，彩虹桥静载试验试验测试跨、测试截面编号及各控制截面测试内容为桥梁中心截面。

4.2 彩虹桥测点布设

（1）挠度测点：在左侧和右侧纵梁与横梁连接处各布置1个挠度测点；在4#中横梁跨中和四分点位置各布置1个挠度测点。

（2）应变测点：在每个纵梁和横梁连接位置布置1个应变测点，应变测点为顺桥向；4#中横梁底面布置多个应变测点，并在中间位置处腹板布置4个应变测点，方向垂直于顺桥向；在右两侧拱肋在跨中处布置8个应变测点，方向平行于拱轴线方向。应变测点和挠度测点布置如图1图2所示。

图1 中横梁应变和挠度测点布置示意图

4.3 加载车辆选择和荷载试验效率

4.3.1 加载车辆的选择

图2 拱肋应变测点布置示意图

彩虹桥荷载试验采用4辆单辆车总荷载为300kN和2辆单辆车总荷载为360kN的三轴重载汽车进行加载。

4.3.2 静力试验荷载确定原则

就某一加载试验项目而言，其所需加载车辆的数量，将根据设计标准活荷载产生的该加载试验项目对应的控制截面内力最不利效应值，按下式所确定的原则等效换算而得。《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）规定：

式中：η——静力试验荷载效率；

Sstate——静载试验荷载作用下，控制截面内力计算效应值；

S——控制荷载作用下，控制截面最不利内力或变位计算值；

μ——计算取用的冲击系数。

4.3.3 彩虹试验荷载效率及加载车辆数

在成桥状态下，彩虹桥静荷载试验的荷载效率在0.965～1.034之间，满足“评定规程”的规定，详见如下。

工况一理论计算值1075.7试验计算值1032.7荷载效率0.96加载车辆4辆；工况二理论计算值85.2试验计算值90.3荷载效率1.06加载车辆4辆；工况三理论计算值64.3试验计算值62.0荷载效率0.96加载车辆4辆；工况四理论计算值560.5试验计算值566.1荷载效率1.01加载车辆2辆。

工况一为纵梁梁最大弯矩、挠度；工况二为吊杆最大轴力；工况三为拱肋最大弯矩；工况四为横梁最大弯矩和挠度。

4.4 车辆荷载布置

荷载试验车辆加载要尽可能用最少的加载车辆达到最大的荷载效率，在满足试验荷载效率以及能够达到试验目的的前提下，加载工况应进行简化、合并，以尽量减少加载位置；每一加载工况依据某一加载试验项目为主，兼顾其他加载试验项目。

4.5 静载荷载试验结果

4.5.1 工况一试验结果

通过对J1截面纵梁最大弯矩和挠度（工况一）加载试验，J1测试截面纵梁应变测试结果如表1所列；纵梁挠度测试结果如所列，挠度实测值与理论计算值的对比曲线如表2所示。

表1 工况一作用下纵梁应变测试结果分析表（单位：με）

表2 工况一作用下纵梁挠度测试结果分析表（单位：mm）

4.5.2 工况二试验结果

吊杆索力测试原理是利用吊杆所处环境对吊杆随机振动，在吊杆上附着着高灵敏度拾振传感器，拾取吊杆在环境激励下的振动信号，经过滤波、放大、谱分析。然后根据自振频率与索力的关系确定实际索力。本试验索力测试仅测试J1截面吊杆最大阴历控制荷载作用下的右侧3-1#、3-2#、4-1#、4-2#、5-1#、5-2# 索的索力，索力测试结果如表 3 所示。

表3 工况二作用下测试索的索力分析结果表（单位：kN）

4.5.3 工况三试验结果

通过对J1截面拱肋应变加载试验（工况三），J1测试截面拱肋应变测试结果分析如表4所列。

表4 工况三作用下拱肋应变测试结果分析表（单位：με）

4.5.4 工况四试验结果

通过对J1截面横梁最大挠度加载试验（工况四），J1测试截面横梁挠度测试结果分析如所列，满载作用下挠度实测值与理论计算值对比曲线图如表5所示。

表5 工况四作用下纵梁挠度测试结果分析表（单位：mm）

4.6 数据分析与评定

结构应变和挠度校验系数是评定结构工作状况、确定桥梁承载能力的一个重要指标，其中校验系数越小，结构的安全储备越大。试验桥在试验加载作用下，各构件挠度校验系数在0.55～0.70之间，应变校验系数在0.57～0.76之间，说明满足正常使用下的桥梁强度要求。

5 结论

通过对该系杆拱桥的结构分析，优化选择了各试验工况车辆布载的最优布载方法，以最少的加载车辆满足荷载试验加载效率的要求，以最少的加载次数测试完所有试验工况。本文通过对实测的挠度及应变值与理论计算值的对比分析，确定结构的校验系数，进而评定该桥梁的工作状态。静载试验是评定系杆拱桥力学性能是否满足规范和设计要求最有效的方法。