某下承式砼系杆拱桥静动力试验研究

周海成

(河北省廊坊市交通运输综合行政执法支队， 河北 廊坊 065000)

1 工程概况

某下承式预应力砼系杆拱结构的计算跨径为65 m，计算矢高为12 m，矢跨比约为1/5.417。预应力砼系梁高2.3 m、宽1.5 m，吊杆30根，拱肋2道，桥面板16块，横撑3道，横梁17道，系梁、横梁及拱肋采用C50砼。采用双柱式桥墩，墩柱直径1.0 m。桥面双向横坡1.5%，主桥宽27.5 m。设计荷载为汽车超-20级、挂车-120。

桥梁上跨高速铁路，交角为50°56′20″。由于高铁速度较快，风致振动显著，经现场检测，部分吊杆下锚头处油渍明显，吊杆防护钢管存在内壁锈蚀病害(见图1)。目前该桥服役年限已超过20年，为测试其实际使用性能和工作状态，判断其承载能力及动力特性，对桥梁进行静动载试验研究。

图1 桥梁病害情况

2 传感器布置方案

试验主要测试截面包括拱顶截面(A-A)、1/4跨截面(B-B)、3/4跨截面(C-C)、拱脚截面(D-D)、10#中横梁跨中截面(E-E)、系梁跨中截面(F-F)、系梁3/4跨截面(G-G)、8#吊杆轴力(H-H)、12#吊杆轴力(I-I，见图2)。为测试各荷载工况下主拱肋、系梁、中横梁的应变，在测试截面布置振弦式传感器(见图3)。为测试各荷载工况下拱肋与桥面挠度，在测试截面布置挠度测点(见图4)。为测试吊杆在各荷载工况下的索力增量，在两侧7#、8#、9#、11#、12#吊杆距系梁顶部约0.5 m处布置索力测点。

图2 试验主要测试截面(单位：cm)

图3 应变测点布置(单位：cm)

图4 挠度测点布置(单位：cm)

为测试桥跨结构的动力性能、桥面平整度及运行车辆的动力特性、车速等因素的影响，在主桥西侧系梁跨中梁底设置动挠度测点。为测得桥梁的自振频率、阻尼比及振型，按照结构振型形状布置在变位较大的位置，避开各阶振型的节点，在主桥四分点位置布设振动测点。

3 试验方案

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS/Civil有限元软件对该桥进行建模分析，主拱和系梁采用梁单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟，桥面板采用板单元模拟。全桥共2 028个节点、2 722个单元，其中桁架单元30个，梁单元1 060个，板单元1 632个(见图5)。

图5 桥梁有限元模型

3.2 荷载试验效率

荷载试验选用6辆车重350 kN的加载车，荷载效率见表1。

表1 测试截面荷载效率

3.3 荷载工况及测试内容

3.3.1 荷载工况

工况1、6、8：拱顶截面最大弯矩工况、系梁跨中截面最大弯矩工况、8#吊杆最大索力增量工况，车辆布置见图6。

图6 工况1、6、8荷载工况及加载位置(单位：cm)

工况2：拱脚最大正弯矩工况。

工况3、5：3/4拱肋、3/4系梁截面最大弯矩工况，车辆布置见图7。

图7 工况3、5荷载工况及加载位置(单位：cm)

工况4、9：1/4拱肋最大负弯矩、12#吊杆轴力增量工况，车辆布置见图8。

图8 工况4、9荷载工况及加载位置(单位：cm)

工况7：10#中横梁最大弯矩工况，车辆布置见图9。

图9 工况7荷载工况及加载位置(单位：cm)

3.3.2 测试内容

测试各截面测点的应变、挠度并观测裂缝情况。分三级加载，在进行加载试验前，用2辆试验车在试验孔跨中部位进行2～3 次横桥向对称的反复预加载，一级加载为1列2排2辆加载车靠西侧系梁顺桥向布置，二级加载为2列2排4辆加载车靠西侧系梁顺桥向布置，三级加载为3列2排6辆加载车满载顺桥向布置。加载车以20、30、40 km/h的速度进行动载试验，测量动挠度测点在桥上行车荷载作用下的动挠度；采用自然脉动方式，即在桥面无交通荷载及桥址附近无规则振源的情况下，测定由桥址处风荷载、地脉动和水流等随机荷载激振引起的桥跨结构微幅振动响应，进而测定桥跨结构固有振动特性(自振频率和阻尼比)。

4 测试结果分析

4.1 静载试验测试结果分析

为检验试验荷载作用下各断面测点的效应实测值与相应设计理论计算值的差异，采用测点效应校验系数ζ进行检验。ζ按下式计算：

ζ=Se/Ss

式中：Se、Ss分别为试验荷载作用下主要测点的实测弹性变位或应变值、理论弹性变位或应变值。

4.1.1 应变结果分析

根据现场分级加载情况，各截面受力最不利测点应变在加载过程中保持线性增长，不同荷载工况下测试截面各测点实测应变值与理论应变值对比见图10。由图10可得实测中性轴高度与理论计算值基本一致，应变沿截面高度分布线性良好，且实测值小于理论值，卸载后基本恢复。

图10 不同荷载工况下测试截面各测点实测应变值与理论应变值对比

在试验荷载作用下，拱肋各测试截面应变校验系数为0.63～0.68，系梁各测试截面应变校验系数为0.70～0.77，横梁测试截面应变校验系数为0.73，均小于1.0，说明桥梁各构件强度在设计荷载作用下满足规范要求。

4.1.2 挠度结果分析

如图11所示，不同荷载工况下测试截面各测点实测挠度与理论挠度曲线接近，且实测值小于理论值，其中工况1下西侧拱肋拱顶截面各测点的挠度校验系数为0.67～0.79，工况2下西侧拱肋拱底截面各测点的挠度校验系数为0.69～0.80，工况3下西侧拱肋3/4截面各测点的挠度校验系数为0.61～0.68，工况4下西侧拱肋1/4截面各测点的挠度校验系数为0.67～0.73，工况5下系梁3/4截面各测点的挠度校验系数为0.62～0.70，工况6下系梁跨中截面各测点的挠度校验系数为0.70～0.77，工况7下H10横梁跨中截面各测点的挠度校验系数为0.69～0.77，均小于1.0，表明该桥试验孔整体刚度性能良好，在设计荷载作用下满足规范要求。

图11 不同荷载工况下测试截面各测点实测挠度值与理论挠度值对比

4.1.3 相对残余变位结果分析

各荷载工况下相对残余变位情况见图12。卸载后拱肋各控制测点的最大相对残余变位为9.46%，系梁各控制测点的最大相对残余变位为9.96%，横梁各测点的最大相对残余变位为7.64%，均满足规范对相对残余变位不大于20%的要求。

图12 各荷载工况下相对残余变位

4.1.4 吊杆索力增量结果分析

在工况8各级试验荷载加载作用下，8#吊杆索力弹性增量在加载过程中保持线性增长，线性关系良好，卸载后相对残余5.27%；满载时，7#～9#吊杆索力弹性增量实测值均接近理论值，校验系数最大为0.92。

在工况9各级试验荷载加载作用下，12#吊杆索力弹性增量在加载过程中保持线性增长，线性关系良好，卸载后相对残余4.33%；满载时，11#、12#吊杆索力弹性增量实测值均接近理论值，校验系数最大为0.90。

4.1.5 裂缝结果分析

在各试验荷载作用下，该桥试验孔构件未产生裂缝。

4.2 动载试验测试结果分析

4.2.1 桥梁冲击系数结果分析

采用光电挠度仪测试跑车工况下桥梁动挠度，20～40 km/h下桥梁挠度时程曲线见图13，实测冲击系数为1.032～1.061，均小于理论值1.095，表明该桥桥面平整度较好，车辆冲击作用较小，满足行车要求。

图13 不同车速下桥梁挠度时程曲线

4.2.2 自振频率与阻尼比结果分析

试验中采用加速度传感器及智能信号采集处理分析仪记录桥跨结构的振动响应信号，结果见图14、图15。通过对测得的振动信号进行自功率谱分析及互功率谱分析，得到桥梁结构的一阶竖向频率为2.734 Hz。采用半功率带宽法计算得阻尼比为0.073 5。

图14 桥梁自功率谱分析频谱图

图15 桥梁互功率谱分析频谱图

桥梁一阶竖向阵型理论计算结果见图16，一阶竖向振动频率理论值为1.875 Hz。一阶竖向振型实测振动频率为2.322 Hz。

图16 竖向一阶频率振型理论值

实测频率/理论频率=2.322/1.875=1.24>1.1，表明该桥上部结构实际整体刚度大于理论刚度，结构动力性能良好。

5 结论

通过对存在吊杆病害的拱桥进行有限元分析与动静载试验，得到以下结论：

(1) 桥梁应力和变形实测结果在分级加载过程中呈线性增长，实测值与理论值规律一致且实测值均小于理论值，相对残余变位较小，加载过程中无裂缝产生，说明桥梁的静载强度及刚度在设计荷载作用下满足规范要求。

(2) 桥梁吊杆索力增量在试验车辆荷载分级加载作用下线性关系良好，但实测值接近理论值，需加强观测。

(3) 桥梁冲击系数小于理论值，一阶竖向自振频率大于理论值，桥梁的动力性能良好。