Y腿刚构系杆拱桥荷载试验方案研究

张正琦，柳 玉，文博华

(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

我国桥梁正向着“老龄化”方向发展，材料性能的老化加上结构各种荷载的长期作用，现有桥梁服役条件日趋恶化，越来越多的桥梁将达到设计基准期，严重影响我国桥梁的服役能力，进而促进了桥梁建管养一体化理念的不断发展与革新。我国正从大规模建设时期向建管养协同并重时期过渡，对于旧桥，需要每隔一定年限进行荷载试验确定桥梁结构该阶段的承载能力及营运条件，分析桥梁病害及其变化规律，确定有无加固的必要。Y腿刚构系杆拱桥属于预应力混凝土刚构体系与柔性拱肋刚性连接的组合体系桥梁。Y腿刚构系杆拱桥用吊杆将主拱肋与主梁连接加强主梁，增大主跨跨度，主桥边跨主梁与主墩为Y腿刚构可以减小边跨跨度、平衡拱脚巨大的水平推力，从而改善了组合结构整体受力状态和变形。Y腿刚构系杆拱桥作为一种相对新型的结构体系，21世纪以后在我国才开始出现，但随着国民经济的迅猛发展，公路桥梁负荷不断增加，这些桥梁的承载能力及营运条件已经陆续出现问题，严重影响国民经济发展与人民生命财产安全，需要通过荷载试验等手段明确其服役能力。为确保试验荷载选择的合理性，保证试验过程的安全性，须事先进行荷载试验方案设计，而目前对于Y腿刚构系杆拱桥荷载试验方案鲜有研究，本文以衢江大桥主桥为对象，分别从静载试验控制截面与试验工况选取、挠度与应变测点布置以及动载试验中传感器、动测点布置和动应变截面选取等进行试验方案设计，为Y腿刚构系杆拱桥体系荷载试验的实施提供指导，也为以后同类型桥梁提供参考。

1 工程概况

衢江大桥为跨越衡江的一座城市桥梁，于2004年竣工通车，主桥形式为50 m+120 m+50 m的Y腿刚构系杆拱桥。

边跨主梁与主墩为Y腿刚构，边跨主梁为单箱四室等高截面预应力混凝土箱梁，顶板宽30.0 m，设双向2%的横坡，底板宽10 m，桥中线处主梁高2.5 m；中跨为单拱肋系杆拱桥，中跨主梁采用外形与边跨一致的等高单箱双室截面预应力混凝土箱梁。

钢箱拱肋布置在桥中线，矢高21 m，跨度100 m，拱肋截面为2 m×2 m的箱形截面，拱脚部分加高到4 m，箱形拱肋四个壁板各设置3条纵向T型肋。拱肋壁板拱顶厚24 mm，拱底厚32 mm，T型肋板厚20 mm。17对双吊杆由91φ7低松驰镀锌钢丝构成，横向间距0.80 m，顺桥向间距5.0 m。道路等级为城市A级，设计行车速度50 km/h。

2 静载试验方案设计

静载试验采用等效静荷载代替设计荷载作用在桥梁的指定位置，使主要控制截面内力达到设计或使用荷载(含冲击作用)相等的效应。现场测试桥梁结构工作相关的主要参数(如变形、挠度、应力、应变、裂缝扩展等)，并将实测值与设计值或理论值作对比分析，评定桥梁结构的实际承载能力。根据控制截面的内力影响线，试验采用加载车进行等效加载，使控制截面的内力与标准活载作用下的设计内力之比达到规范规定的试验荷载效率的要求。大桥主桥静载试验各工况至多采用8辆400 kN的加载车进行等效加载，中后轴距1.4 m，前中轴距4 m，中后轴各重160 kN，前轴80 kN。

正式试验加载前应对桥梁进行预压再进行分级加载，逐级从零加到最大值，再一级卸载，按工程检验的要求确定最大试验荷载量。静力试验荷载效率表示见公式(1)

(1)

式中：为静力试验荷载作用下，某一加载试验工况对应的加载控制截面内力或变位的最大计算效应值；为控制荷载产生的同一加载控制截面内力或变位的最不利效应计算值；为冲击系数值(按规范取用)；为静载试验荷载效率，旧桥鉴定应介于0.95～1.05之间，新桥验收应介于0.85～1.05之间。

2.1 控制截面与试验工况

采用midas Civil 2020结构计算软件对桥梁建立模型进行计算分析。桥梁计算模型根据设计图纸尺寸建立，材料强度按设计资料或规范取用，计算活荷载按城市A级考虑。

根据程序输出的内力包络图，并依据相关规范规程有关刚构桥、拱桥荷载试验内容与Y腿刚构系杆拱桥特点，选取试验控制截面。静载试验控制截面的选取见图1，静载试验工况如表1所示。

图1 主桥静载试验控制截面(长度/cm)

表1 静载试验工况

表1(续)

2.2 挠度与应变测点布置

在控制截面及支点对应桥面位置布置挠度测点，每个试验工况布置5个挠度测点，其中控制截面布置4个挠度测点，支点布置1个挠度测点。

箱梁A、B、E、H截面各布置11个应变测点，拱肋C、G截面共布置14个测点，中间吊索F截面布置1个测点，牛腿D截面布置3个应变测点。

2.3 静载试验荷载效率计算

对模型进行等效分级加载，鉴于篇幅本文仅给出前三个工况分级加载计算结果及挠度、应变控制值，见表2。

表2 工况一、二、三分级加载计算表

由表2可以看出，各工况最终静载试验荷载效率均在0.95～1.05范围之内，车辆荷载布置满足规范要求。

3 动载试验

动载试验采用1台总重400 kN的汽车，汽车工作性能好，有准确的车速表和可靠的刹车机构。

3.1 测试内容及工况

(1)动载试验主要测试结构的动力特性，内容包括。

①结构固有频率测试；②结构振型模态测试；③冲击系数测试。

(2)工况包括。

①脉动试验：在桥梁无车辆通行时，桥梁受环境自然激励，量测桥梁基频；②跑车试验：在桥面上汽车以20 km/h、30 km/h、40 km/h速度进行跑车使桥梁产生受迫振动，量测桥梁振幅与振动频率。

3.2 试验截面选择及传感器布设

基频测试传感器布设在桥面同一侧的L/4和跨中截面，距桥梁防撞护栏50 cm处，竖直向垂直于桥面，以测定桥梁竖向振动响应；振型模态测试传感器布设在桥面两侧L/8、L/4、3L/8、5L/8、3L/4、7L/8和跨中截面，距桥梁防撞护栏50 cm处，竖直向垂直于桥面，以测定桥梁竖向振型模态，由于加速度传感器数量限制，测试分为两组，其中测点1～4、5、8～11为测试组1，测点5～7、12～14为测试组2，测点5作为参考点同时参与两组测试；动载试验选择桥梁中跨跨中位置进行试验测试，在测试截面布置动应变传感器，测试桥梁冲击系数。

4 结 语

荷载试验规范对于旧桥荷载试验的加载效率限制更为严苛，Y腿刚构系杆拱桥体系复杂，控制截面多、荷载工况复杂，相关规范均未涉及此类桥型的具体荷载试验内容，加大了服役期中的Y腿刚构系杆拱桥的荷载试验方案设计难度。为保证服役期桥梁在荷载试验中的安全，更好确定既有桥梁的实际营运能力，本文以某Y腿刚构系杆拱桥为例，对其进行荷载试验设计，该荷载试验方案分级加载效率满足规范要求，既可为该Y腿刚构系杆拱桥现场荷载试验的实施提供指导，又可为今后同类桥型的荷载试验设计提供参考。