某大跨度钢管混凝土拱梁组合桥荷载试验研究

罗慧苓

(福州理工学院 福建福州 350506)

0 引言

钢管混凝土拱梁组合桥结构体系简单，刚度大，受力合理，在工程实践中广泛应用[1-2]。目前，荷载试验是验证结构设计方法，检验施工质量，了解桥梁实际工作状况的最有效方法。同时也为竣工验收，后期管养提供基础性数据[3]。门广鑫[4]对3跨三孔中承式钢管混凝土拱桥进行了荷载试验，判定了结构整体性能，并为日常维护与后期加固提供了基础数据；郑晓斌[5]对钢管混凝土系杆拱桥进行了成桥荷载试验研究，分析了结构强度与刚度，并鉴定了桥梁实际承载力。

拱梁组合桥拱肋与主梁共同受力，吊杆是拱梁组合桥中重要组成构件，起到将桥面荷载传递给拱肋的作用。近年来，由于吊杆锈蚀或疲劳，发生了多起吊杆断裂事故，引发了吊杆内力重分布与连续性破坏，严重时桥面坍塌并掉入桥下，造成一定的人员伤亡与经济损失，如宜宾小南门桥、武夷公馆桥等吊杆断裂事故。

基于此，为了评估大跨度钢管混凝土组合拱桥实际工作性能及结构安全性，本试验进行了大桥静动载试验，测试与分析了试验荷载作用下控制截面的应变、挠度，以及结构动力基本特性；同时，基于试验结果，对结构安全性进行了讨论，重点研究了单根吊杆断裂时吊杆安全度的变化。

1 工程背景

如图1所示，某桥主跨为107m钢管混凝土哑铃形拱桥，采用拱梁组合简支体系，结构内部超静定、外部静定。拱脚处不平衡水平推力由预应力混凝土箱梁承受。

图1 某钢管混凝土拱桥总体布置图(单位：cm)

主拱肋采用钢管混凝土结构，拱轴线采用二次抛物线，计算跨径107m，矢跨比为1/5。拱肋横断面为竖哑铃型，截面高3.4m。上、下钢管为φ140cm的空钢管，两管之间用钢腹板和加劲钢板连接形成整体，管内及腹腔内灌注C50补偿收缩混凝土。

主梁为单箱五室变截面预应力箱梁，跨中梁高3.0m，中腹板、边腹板分为0.4m与1.5m；根部梁高3.5m，中腹板、边腹板分为1.5m与3.0m。

吊杆间距5m，采用139根Φ7mm高强度环氧涂层钢丝，分两次张拉。锚具采用OVM.LZM7-139型冷铸镦锚头。

施工方法——先梁后拱，即先搭支架现浇预应力箱梁，而后搭设拱肋，最后安装吊杆。

2 有限元分析模型

采用桥梁专业软件MIDAS/Civil，建立有限元计算模型，如图2所示。吊杆采用桁架单元外，其余构件采用三维梁单元模拟。拱肋采用双单元，分别模拟空钢管与管内混凝土。桥面铺装仅考虑重量，不计刚度贡献。支座采用弹性连接模拟。有限元分析模型共计461个节点，646个单元。

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图2 有限元分析模型

3 静载试验

3.1 测试内容

静载试验具体测试内容如下：

(1)拱肋：L/4跨，跨中以及3L/4跨的结构挠度(图3中1-3测点)；L/4跨，跨中及拱脚截面应变(图3中A-C断面)。

(2)主梁：跨中、L/4及3L/4处结构挠度(图3中4-6测点)；跨中应变(图3中D断面)；

图3 测试点与断面布置

(3)吊杆：恒载作用下吊杆索力。

3.2 荷载工况

按结构内力影响线等效加载，加载试验共计8个荷载工况，如表1所示，共使用了6辆约37t的三轴载重车辆。表中可见，各荷载工况下试验效率系数均满足公路桥梁承载能力检测评定规程(JTG/T J21-2011)[6]规定试验效率系数0.95～1.05之间的要求。

表1 静力荷载试验工况

3.3 挠度测试

挠度测试使用仪器，包括千分表、精密水准仪及铟瓦合金尺等。加载前后各关键测点高程变化即为挠度值。篇幅限制，表2与图4仅列出最不利荷载工况3的试验结果。从列出的结果可见，各测点实测值与理论值变化规律一致，但小于理论值。桥面与拱肋测点校验系数分别在0.57～0.81与0.52～0.70之间，最大残余变形满足规程[6]小于20%的要求。挠度测试结果表明，桥梁结构尚处在弹性工作阶段，整体刚度能达到公路Ⅰ级设计荷载要求。

(a)上游侧

表2 工况3下结构挠度实测值

3.4 结构应变

主梁5箱室底缘各布设1个应变测点，拱肋上下缘各布设1个应变测点。工况3跨中截面应变量测值如表3所示。各测点应变值均较小，结构整体受力均匀，同时试验值均小于设计值。各荷载工况下，拱肋、主梁应变校验系数分别在0.64～0.73与0.71～0.77之间，最大残余应变满足规程[7]要求。可见，该桥梁结构可承受公路Ⅰ级设计荷载。

表3 工况3下结构应变实测值

3.5 吊杆索力

(a)上游侧

4 动载试验研究

4.1 自振特性测试

加速度传感器，采集在环境荷载作用下的振动加速度信号。经过模态分析，得到频谱图、第一阶振型示于图6。实测面内一阶自振频率1.86Hz大于理论计算值1.75Hz，实测振型与理论计算一致。

(a)面内实测频谱图

4.2 强迫振动试验

强迫振动试验在桥跨跨中截面布置测点，由电应变片与DH5920动态信号采集系统量测动应变，将动应变时程曲线进行时域分析后，得出不同车速对桥梁的冲击系数，如表4所示。由表4可知，时速30km/h时，车辆对拱肋冲击最大，换算冲击系数最大值0.12，小于规程[7]规定的设计计算取值0.18。

表4 实测冲击系数

4.3 加速度响应

各工况不同车速下，跑车试验加速度幅值列于表5。由表5可见，30km/h跑车时加速度响应最大，为0.033g，未超过引起人体不适的限值0.065g。

表5 桥面各工况下跑车试验的加速度幅值

5 结构安全度分析

基于荷载试验结果，将各构件测试最小安全度列于表6。表6中可见，吊杆最小安全度数值最小，结构如发生破坏可能从吊杆开始。

表6 各构件最小安全度

当结构发生单根吊杆断裂，分别取拱脚1#短吊杆断裂，跨中9#长吊杆断裂，L/4处5#吊杆断裂3种情况，研究与分析吊杆安全度变化，结果详见图7、表7。由表、图可见，跨中9#吊杆断裂结构受力最为不利，其中主梁挠度增加2.8mm，而且，该工况引发相邻8#与10#吊杆索力增加幅值最大，吊杆最小安全度下降至1.03，但结构仍满足安全度大于1.0要求。

图7 单根吊杆断裂主梁挠度变化(单位：m)

表7 单根吊杆破断后各吊杆安全度变化表

图8示出单根吊杆断裂情况下，拱肋最大组合应力云图。由图8可见，即使发生单根吊杆断裂，拱肋应力增加幅值小，组合应力值均小于设计强度值。

(a)1#断裂钢管应力

6 结论

(1)该组合桥各荷载工况下实测结构应力与挠度值均小于理论值，说明结构尚处弹性工作阶段，承载力满足设计荷载要求。

(2)动力响应正常，实测面内一阶自振频率大于理论计算值；当车速30km/h时，车辆对拱肋冲击系数最大，数值为0.12。

(3)钢管混凝土组合拱结构各组成构件中，以吊杆结构安全度最小；当单根吊杆发生意外断裂时，以跨中9#吊杆断裂时结构受力最为不利，但吊杆断裂后的结构仍然满足安全要求。