非对称钢结构系杆拱桥静载试验研究

2024-05-15潘海结合肥工大工程试验检测有限责任公司安徽合肥230009

安徽建筑 2024年4期

潘海结（合肥工大工程试验检测有限责任公司，安徽合肥 230009）

1 引言

桥梁静载试验是为了了解桥梁工作状况并对其整体的施工和受力情况进行检测，以此来判定整体的承载力及使用状况，检查其承载能力、结构变形和正常工作状况是否符合设计要求。静载试验是指在试验荷载下，通过受控截面应变、位移或裂缝的检测来分析和判定桥梁的状态。虽然静载试验存在时间长、成本高、运输不便等劣势，但无论是新桥（特别是新材料、新结构、新工艺、大跨径）的交竣工验收检测，还是现有桥梁的承载力评估，荷载试验都发挥着不可替代的重要作用[1-3]。

2 试验方案设计

2.1 加载原则

试验荷载的大小和加载位置的选择采用静载试验效率系数ηd进行控制，在交竣工验收载荷试验中，新桥验收效率系数应控制在0.85～1.05 之间，老桥鉴定效率系数控制在0.95～1.05 范围内[4-5]：

2.2 加载方案

为保证桥梁结构静载试验的顺利进行、检测试验结果的真实可靠，必须采取科学、严谨的加载、卸载方法，并按顺序递增、逐步减小。在正式加载之前，应先对试验桥梁进行预加载，以便对可能出现的问题进行处理。建议在温度变化不超过2～3℃的时段进行静态强度测试，静力测试的持续时间原则上是由结构的变形达到相对稳定状态所需的时间决定的，在结构的变形达到相对稳定状态后进行数据读取，然后再进行下一阶段的载荷测试[6-7]。

2.3 测试截面

静载试验应该根据结构和构件的主要受控部分来进行，而系杆拱桥的试验断面主要有主拱最大内力、吊杆最大拉力、最大纵梁内力等[8-10]。

2.4 测点布置

钢结构系杆拱桥静载试验的主要内容有主拱、纵梁的竖向变形观测、应变观测，吊杆的索力检测，裂缝监控等。

3 工程概况

某跨河非对称钢结构系杆拱桥跨径组合为（50+135+45）m，全长230m，为全钢拱桥结构，桥型为三跨连续无推力拱桥，主要受力构件包括两个边拱和一个中拱，并与一个风柱相连。为了获得较好的视觉效果，在中、侧拱上采用了不同的矢跨比。北岸的拱脚延伸至下地基，辅以斜撑与拉杆，构成刚性连接结构。而南岸拱脚与梁体刚接时，拱的水平力由钢桥面板来平衡。主要结构是钢箱形拱肋、风撑、纵横梁、钢桥面板、环氧喷涂并联钢索等。横断面布置为2.5m（人行道）+3.5m（非机动车道）+2.5m（边拱吊杆区）+15.5m（机动车道）+5.0m（中拱吊杆区）+15.5m（机动车道）+2.5m（边拱吊杆区）+3.5m（非机动车道）+2.5m（人行道），全宽为53.0m。

桥面系为纵梁系统，全桥有四个主纵梁，主纵梁与拱肋位置相对应。横断面为倒梯形箱梁，中间纵、边纵横梁宽1.8m、高2.2m，在斜拉处进行局部加高加固以满足结构的受力要求。桥面系在靠近墩承台的位置，机动车道及非机动车道分离，形成局部镂空，以便拱脚插入。

横梁顺桥向布置以3m 为基本间距，局部根据实际情况进行调整。车行道下横梁和人行道下横梁均为工字型截面，高度从边纵梁向桥边呈弧线变化，桥梁的高度为0.4m。主桥端部、拱梁连接、主桥连接楼梯等部分的横梁均为箱形截面，并进行了加固。桥面系顶板为U 形正交变截面板，其顶面与公路横向纵坡基本相符。

主跨拱包括三个单独的拱门，中间拱位于中间分隔带，边拱位于机动车道和非机动车道之间。钢箱拱肋的形状为立体弧形，特别是边拱，在平面上的投影也是一条弧线，它是从机非隔离带向桥面的过渡。在此基础上，中跨拱轴与梁身之间的最大距离为19.80m，采用倒梯式箱形截面，标准断面上宽2.46m，底板宽1.40m、高2.00m。

边跨拱轴与梁体之间的距离最大为27.5m，根据受力和外貌的要求，边拱的长度范围为2.2～2.8m，中间部分的边拱包括两个上拱箱和一个下拱箱，在吊杆和风拉处通过箱形截面的拱肋相连，三个单独的拱箱在第一个起重柱前合并成一个整体的箱形部分。

本桥共64 根吊杆，分别在中间的主拱和两边的边拱下面，中拱杆垂直竖直，边拱吊杆顺桥向竖直，横桥向斜向倾斜，与道路中心线呈对称关系。中拱式起重机的规格为Φ7-61、Φ5-85、Φ5-61，边拱式起重机的规格为Φ7-61、Φ7-73。吊杆顺桥向间隔6m，中拱各设16 个吊杆，各侧拱各15个，全桥62个。

为了提高桥梁的整体性能，在中拱和边拱之间设置了风柱，其位置与主梁的位置相对应，整个桥面共有28 根风柱。风柱的横断面为等宽变高的箱形结构，与中拱、边拱交界处的宽度为0.6m。

各纵梁下各有2 根钢拉杆，横截面为8 根，钢拉杆为双钢板截面，两端为销铰结构，与梁体和地基的预埋构件相结合，以承受轴向拉力。

道路等级为城市次干道，设计荷载等级为城市-A 级，主要材料为主桥Q345qD。

4 试验方案

4.1 控制截面

本次静载试验共选择五个控制截面，即中拱最大内力及挠度、边拱最大内力及挠度、主纵梁最大内力及挠度、中拱最大索力、边拱最大索力。测试了主拱、主梁和吊杆在试验载荷下的受力和变形情况，拱肋和纵梁的控制截面布置见图1。

图1 拱肋及纵梁控制截面示意图

4.2 测点布置

图2 拱肋及纵梁控制截面应力测点布置

①应变测点

在控制断面拱肋上设置4 个应变计，在钢纵梁上设置2 个应变仪，测试拱肋和钢梁在不同水平载荷下的受力情况。

②挠度测点

静载试验在拱肋及钢纵梁控制截面布置挠度测点，测点布置见图3，根据现场条件，选择使用全站仪进行各测点挠度测量。

图3 拱肋及纵梁截面挠度测点布置

③吊杆索力测试

系杆拱桥吊杆索力的测试方法是利用高灵敏拾振传感器、现代化的数据采集装置和软件，从结构的振动中得到前几个阶次的自振频率，并根据索力的频率、边界条件、刚度等的变化规律，对索力进行计算。

本桥吊杆索力通过索力动测仪，在吊杆控制断面测量加载前、加载后的吊杆频率值并得到吊杆索力。

4.3 试验荷载

根据本桥设计荷载（城市-A 级）作用下的最不利荷载效应值，采用等效加载的方式，计算得到本次静载试验的等效荷载（8辆36t加载车）。

4.4 试验工况

本次荷载试验共加载五个试验加载工况，分别为工况一（2#中肋最大内力对称加载试验）、工况二（1#边肋最大内力对称加载试验）、工况三（2#、3#纵梁最大内力及挠度测试）、工况四（右ZDG-01 吊杆最大拉力测试）、工况五（右BDG-01吊杆最大拉力测试），通过对试验荷载下的桥梁进行应力测试、变形测量、索力测试，了解桥梁实际承载力，并对其施工质量进行判定。