某两跨中承式钢箱异型拱桥荷载试验分析

林 彦 哲

(福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州 350025)

0 引言

随着我国经济事业日益腾飞，为满足城市交通发展需要，越来越多结构新颖、跨越能力强的桥梁涌现在城市干道中。其中，钢箱梁吊杆拱桥以其优秀的跨越能力与美观的造型、安全稳定的受力性能备受青睐。同时，随着桥梁设计与施工工艺日趋复杂，在桥梁正式投入运营前对桥梁结构安全性能进行检测评估愈发重要[1]。成桥荷载试验是检验桥梁实际工作性能最直观有效的评估手段，保障桥梁结构安全的同时也为桥梁日后维护提供初始数据。本文以中承式钢箱异型拱桥荷载试验为例，介绍了该类桥梁荷载试验的工况布置与测试内容，通过对比分析测试数据与理论计算结果，评估桥梁在试验荷载作用下的实际工作状态与受力性能是否满足规范与设计要求，为其他同类型异型拱桥开展荷载试验检测评估工作提供参考借鉴。

1 工程概况

某双跨中承式钢箱吊杆异型拱桥，桥梁采用刚构体系，桥墩、钢主梁和拱肋固结，桥台处拱座和桥台共承台，桥梁跨径布置为2×57.5 m=115 m。拱肋采用钢箱结构，四片拱肋在平面内向外旋转13°形成X形布置。主梁为钢箱梁，单箱五室等高度截面，拱肋与主梁之间设4×7根吊索。桥梁设吊杆段全宽为23.44 m，布置为：1.72 m(吊杆区)+2.0 m(人行道)+2.5 m(非机动车道)+3.75 m(机动车道)+3.5 m(中央隔离带)+3.75 m机动车道+2.5 m(非机动车道)+2.0 m(人行道)+1.72 m(吊杆区)=23.44 m。

1)拱肋：拱肋在立面内共面，轴线采用拟合曲线，蝴蝶拱造型。采用变截面钢箱结构，其截面外轮廓尺寸根据拱轴线长度呈线形变化。钢材采用Q345qC。拱脚锚固通过拱座定位板和预应力粗钢筋固定。

2)钢主梁：钢主梁采用等高度单箱五室截面，中心截面高2.0 m，顶宽20.0 m～23.44 m，钢梁桥面板采用正交异性板构造，钢箱梁钢材采用Q345qC。

3)吊杆：吊索采用31φ5 mm高强度镀锌平行钢丝，极限强度为1 670 MPa。

4)下部结构：桥墩由上墩柱、钢混结合段和下墩柱组成，上墩柱采用变截面钢结构，钢墩柱通过焊接与钢主梁连接；下墩柱采用混凝土结构，与钢主梁固结，结合段钢墩柱内浇筑混凝土。桥台与拱座共用承台，承台下设直径120 cm双排桩，横桥向间距450 cm，纵桥向间距400 cm。下墩柱、承台、桥台及拱座采用C40混凝土，桩基础采用C35水下混凝土。

5)设计荷载：桥梁机动车道荷载标准：城—A级；人行道及非机动车道：按规范取值。桥型结构布置如图1所示。

2 有限元建模

采用桥梁结构有限元软件 Midas/Civil进行结构计算分析[2]，根据设计施工资料并结合现场结构核查结果，建立有限元分析模型。钢箱梁、钢箱拱肋、桥墩等共采用了486个梁单元模拟，吊杆采用28个只受拉桁架单元模拟。拱脚和中间墩在承台处采用固接约束，材料参数根据设计图纸按规范进行取值。主桥有限元模型如图2所示。

3 静载试验

3.1 试验工况与荷载效率

本项目为验收性荷载试验，依据《城市桥梁检测与评定技术规范》[3]规范规定，验收性荷载试验效率须满足不小于0.85且不大于1.05的要求，依据桥梁结构控制截面在设计荷载作用下最不利效应值的内力等效原则，通过有限元模型布置试验荷载作用，计算分析得出本项目各试验工况的静载试验效率[4]，如表1所示。各工况均采用加载车辆横桥向对称布载。

表1 静载试验工况布置

3.2 测试截面与测点布置

静载试验共布置6个测试截面，如图3所示。应变测试采用振弦式应变计以及振弦读数仪，应变测试截面为1—1，2—2，3—3，5—5，6—6截面，应变测点布置见图4～图6；主梁挠度测试采用水准仪测试，挠度测试截面为1—1截面，测点布置如图4所示；1号墩侧拱脚水平位移测试采用全站仪观测，于4—4拱脚截面南北两侧各布置1个反光片测点进行水平位移测试。在试验跨南北两侧索面的1号吊杆与2号吊杆处布置索力测点。

激光二维扫描传感器z方向测量线性度误差u5为0.5μm。回转误差对本系统测量影响较小，可以忽略。综上，测量小直径和大直径塞规直径时，系统的不确定度Δ1和Δ2为：

3.3 静载试验结果与分析

3.3.1索力检测结果

吊杆索力检测结果见表2。检测结果表明，吊杆索力测点的校验系数处于0.46～0.67之间，相对残余处于2.6%～3.5%之间。

表2 吊杆索力增量检测结果

3.3.2应变检测结果

检测结果见表3。检测结果表明，拱肋及主梁、墩柱应变测点的校验系数处于0.41～0.81之间，相对残余应变处于0%～15.2%之间。

3.3.3变形检测结果

检测结果见表4。检测结果表明，拱肋及主梁变形测点的校验系数处于0.65～0.86之间，相对残余变形处于1.2%～12.5%之间。

表3 应变检测结果

表4 变形检测结果

4 动载试验

4.1 自振特性试验

本次测试在各跨桥面8等分点各放置1个竖向加速度传感器。采用环境脉动法测试桥梁振动响应[5]。自振特性试验测试结果见表5。实测主梁1阶反对称竖弯振型、主梁2阶对称竖弯振型与理论振型对比见图7。

4.2 无障碍行车试验

表5 桥梁自振频率实测值与理论值汇总表

试验结果表明：跑车工况下，实测最大冲击系数μdyn=0.05，刹车工况下，实测最大冲击系数μdyn=0.11，均小于按JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范第4.3.2条规定计算得到的设计理论冲击系数值，见表6。

表6 实测动力冲击系数汇总表

5 结论

通过对本文两跨中承式钢箱异型拱桥进行静动载试验，结合有限元模型理论数据和试验实测数据的比较分析，得到结论如下：

1)在静力试验荷载作用下，实测吊索索力增量校验系数处于0.46～0.67范围，实测主梁、拱肋、墩柱应变校验系数处于0.41～0.81范围，实测挠度及水平位移校验系数处于0.65～0.86范围，均满足JTG/T J21—2011公路桥梁承载能力检测评定规程[6]规定的校验系数不大于1的要求，表明主梁、钢箱拱肋以及吊杆等构件受力状态满足设计要求，桥梁结构具有较好的强度与刚度。

2)静力荷载退载后，实测吊索索力增量相对残余值处于2.6%～3.5%范围，主梁、拱肋、墩柱相对残余应变处于0%～15.2%范围，主梁、拱脚相对残余变形处于1.2%～12.5%范围，相对残余索力增量、应变及变形均满足JTG/T J21—2011公路桥梁承载能力检测评定规程规定的相对残余不大于20%的要求，表明桥梁结构处于弹性工作状态。

3)动载试验结果表明，实测振型与理论振型基本相符，实测桥梁前2阶竖向自振频率均大于理论计算结果，说明桥梁结构整体动力性能良好，整体刚度满足设计要求；跑车与刹车工况下，实测桥梁最大冲击系数均小于设计冲击系数0.12，满足设计要求。

4)静动荷载试验测试表明该中承式钢箱异型拱桥的成桥性能满足城—A级荷载等级的设计要求；为该中承式钢箱异型拱桥的交竣工验收及其后续管养提供技术依据。同时，本文可为同类异型拱桥开展荷载试验检测评估工作提供参考借鉴。