钢管混凝土拱桥的荷载试验研究

门广鑫

（辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015）

1 工程概况

某桥梁全长629.348m，由主桥和两侧引桥组成。主桥为三孔中承式钢管混凝土拱桥，跨径组合为127m+147m+127m。钢管混凝土主拱圈的拱轴线为等截面悬链线，拱轴系数为1.347，矢跨比1／4（主孔）和1／4.5（边孔），净矢高35m（主孔）和26.667m（边孔）。该桥设计车速60km／h，设计荷载等级为城—B级。全桥立面布置和主桥横断面见图1、图2。

2 桥梁荷载试验的内容

该桥梁主桥为钢管混凝土拱桥，属于城市I类养护桥梁，依据《城市桥梁养护技术标准》（CJJ 99-2017）每隔7年需进行荷载试验，并通过荷载试验达到以下目的：

（1）对桥梁结构进行静载试验：测试试验桥孔关键截面的应变、位移，评估各参数的校验系数，确定桥梁的实际承载能力；

（2）对桥梁结构进行动载试验：测试分析试验桥孔的振型、固有频率、冲击系数等，评价桥梁的动力响应性能。

3 桥梁静载试验及结果

3.1 模型建立

针对该桥第3孔～第5孔的钢管混凝土拱桥（主桥部分）进行静载试验，利用空间有限元软件Midas Civil对主桥进行建模分析，其中主拱圈、吊杆横梁采用梁单元模拟，吊杆采用桁架单元，全桥共划分为2390个节点，3925个梁单元，118个桁架单元，有限元模型见图3。

3.2 静载试验工况

对桥梁进行有限元数值分析，计算结构在设计荷载作用下的受力情况，结合《公路桥梁荷载试验规程》JTG／T J21-01-2015中无铰拱桥测试的主要、附加工况确定该桥的试验工况及各测试控制截面，具体见表1。

表1 各试验工况及控制截面汇总表

3.3 静载试验的测点布置

（1）位移测点布置：主桥共布置24个位移测点。其中拱圈截面布置16个位移测点，拱脚截面布置8个位移测点。主拱圈及拱脚位移测点布置示意见图4、图5。

（2）应变测点布置：根据工况设计，在主桥的测试断面上共布置70个应变测点。其中主拱圈截面布置40个应变测点，拱脚截面布置24个应变测点，吊杆截面布置6个应变测点。主拱圈及拱脚应变测点布置示意图见图6、图7。

3.4 桥梁静载试验的荷载效率

在静载试验过程中根据设计活载所产生的结构内力值，采用双后轴加载车及配重作为试验荷载进行等代。《公路桥梁荷载试验规程》（JTG／T J21-01-2015）中规定，静载试验荷载效率，对旧桥荷载试验宜介于0.95～1.05之间，各测试工况荷载效率值见表2，具体计算公式如下：

式中：ηq—静力试验荷载效率；

SS—静载试验荷载作用下，某一加载试验工况对应的加载控制截面内力、应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位移的最不利效应计算值；

μ—按规范取用的冲击系数值。

表2 各测试工况荷载效率

3.5 试验荷载车辆

该桥设计荷载为城—B级，经计算分析，静载试验采用12辆总重为364kN（前轴：84kN，双后轴：280kN）的加载车作为等代荷载，加载车示意见图8。

3.6 静载试验结果

3.6.1 位移测试结果

通过主拱圈截面最大正弯矩工况下位移测点的实测值与理论值的比较，得到以下结果：

（1）在各试验工况下，各位移测点的变形一致性良好，校验系数在0.49～0.97之间，均小于1.00，实测值与理论计算值吻合较好，说明主梁具有良好的整体刚度，结构受力合理，符合设计要求。

（2）各加载工况，卸载后相对残余变形均小于20%，说明结构整体变形处于弹性状态。

3.6.2 应变测试结果

通过主拱圈截面最大正弯矩工况、拱脚最大负弯矩工况及吊杆最大索力工况下应变测点的实测值与理论值的比较，得到以下结果：

（1）桥梁结构主拱圈、拱脚截面及吊杆的应变，以及吊杆索力校验系数介于0.31～0.93之间，均小于1.00，说明拱桥结构具有足够的强度，符合设计要求。

（2）各加载工况，卸载后相对残余应变均小于20%，说明结构整体变形处于弹性状态。

4 桥梁动载试验及结果

动载试验主要是研究和分析桥跨结构在自然激励及强迫振动（跑车时）下的结构动力响应形态，桥梁动载试验的内容主要包括结构振型、自振频率、冲击系数等动力参数的检测。

4.1 脉动试验

采用自然激励方法进行脉动试验，在主桥的主跨、边跨的八分点处桥面两侧均匀布置竖直振动测点，共54个测点，并设置1个参考点，选在主跨跨中附近。通过采集桥梁结构在自然脉动和所处环境条件下的竖向振动信号，进而分析桥梁结构的振型、固有频率及阻尼比。

利用Midas Civil进行计算分析，在考虑主体结构的同时，也对桥面铺装及其他二期恒载按质量大小和空间位置进行了精确的模拟。试验典型正对称、反对称及扭转振型如图9～图11。

主桥检测桥孔的各阶实测频率及阻尼比见表3。

表3 实测各阶频率与理论计算频率的比较

4.2 跑车试验

采用一辆静载试验的双后轴加载车分别以30km／h、40km／h、50km／h的速度行驶在桥面上，桥跨结构会产生不同幅值的结构自振，在车辆驶离后桥梁结构会作无附加质量的自然衰减振动，利用时域分析曲线的竖向振动形态，按下式则可计算出桥梁结构的冲击系数（1+μ）。

式中：fdmax、fdmin分别为实测最大和最小动挠度（动应变）。

针对第3、4孔进行跑车试验，测试结构的冲击系数，测得的典型时域曲线见图12，冲击系数计算结果见表4。

表4 不同车速激振下冲击系数结果表

4.3 试验结果分析

根据主桥的动载试验结果，可以得到：

（1）脉动试验结果显示，各孔实测振型与理论振型基本一致，且竖弯频率均大于理论计算频率，说明桥梁结构的竖向刚度较好。

（2）通过对跑车时域曲线的计算分析，得到测试孔的冲击系数均小于规范值，说明该桥在正常工作状态下动力性能良好。

5 结语

依据该钢管混凝土拱桥的静、动载检测数据，结果表明在设计荷载作用下桥梁结构处于弹性工作状态，结构的刚度和强度均能满足设计文件和规范的要求，动力特性响应也处于正常范围内，说明该桥的运营状态能满足设计荷载等级的要求。通过本工程实例，文章介绍了钢管混凝土拱桥的荷载试验检测的内容和过程，荷载试验数据可为桥梁的日常养护和维修加固提供依据，保证桥梁的运营安全。