大跨径悬臂浇筑拱桥承载能力研究

冯作鹏

摘要 为保证大跨径悬臂浇筑拱桥承载能力分析的全面性和可靠性，以水落河特大桥工程为例，采用静载试验、动载试验以及有限元建模的方法进行大跨径悬臂浇筑拱桥承载能力试验；计算桥梁结构的结构校验系数、相对残余应变、冲击系数以及施工阶段下的临界荷载。试验结果表明：上述试验方法均能够全面完成大跨径悬臂浇筑拱桥的承载能力分析，确定了桥梁结构性能情况。

关键词 大跨径；悬臂浇筑拱桥；承载能力

中图分类号 U448文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0055-03

0 引言

悬臂浇筑指的是一种桥梁施工方法，其主要是在桥墩两侧搭建工作平台，并从两端开始，通过逐段的方式向跨中悬臂浇筑混凝土梁体，并且在浇筑过程中，需保证浇筑的平衡性[1]，同时在浇筑过程中逐段施加预应力，以此保证浇筑后梁体的承载性。大跨径悬臂浇筑拱桥则是采用悬臂浇筑施工工艺完成施工的拱桥，其拱圈或拱肋通常由混凝土或钢材等材料构成[2]；其特点是利用挂篮或吊装系统，将拱圈或拱肋分成若干个节段，逐段浇筑或吊装合龙，最终形成完整的拱桥结构；该拱桥具备跨越能力强等优点[3]。随着交通量的不断增加，大跨径悬臂浇筑拱桥施工后，其在应用时的承载力尤为重要。但是大跨径悬臂浇筑拱桥在施工过程中，其使用的施工材料、施工工艺、施工质量等因素均会影响其施工后的承载力[4]。因此，开展大跨径悬臂浇筑拱桥承载能力的研究，是分析桥梁结构性能、使用寿命的基础，同时也是进行桥梁结构优化的依据。

该文为研究大跨径悬臂浇筑拱桥承载能力，以水落河特大桥桥梁工程为例，采用相关测试方法进行承载力测试，以分析其承载情况。

1 大跨径悬臂浇筑拱桥承载能力分析

1.1 工程概况

水落河特大桥桥梁采用左右幅分幅设置，左、右幅桥梁桥型布置均采用“（9×40）m简支T梁+335 m上承式钢筋混凝土悬臂浇筑拱桥+（25×40）m简支T梁”；中间以横隔板相连；拱上构造由混凝土立柱、盖梁组成拱上排架，立柱采用双柱墩，盖梁采用“T”型预应力混凝土盖梁。主桥桥面梁采用31.75 m跨钢-组合梁，即“预制I形预应力梁+波折钢-现浇组合桥面板”的形式，I形梁间距为2.9 m、高2.15 m，波折钢-现浇组合桥面板由底部的波折钢板、混凝土板和钢筋共同结合而成。引桥上部结构均采用40 m预应力混凝土简支T梁，下部结构标准段采用双柱墩，1～6#墩采用三柱墩，墩高大于21 m的墩柱采用空心薄壁墩，基础均采用桩基础，桥台采用重力式U形桥台。主桥I形梁及引桥T梁下均设置板式橡胶支座，拱圈及肋间横隔板采用C80高韧性钢纤维混凝土，主桥上部预制梁及引桥40 m T梁、主桥立柱顶盖梁采用C50混凝土，主桥组合桥面板采用C50钢纤维混凝土，拱上立柱及垫梁采用C40混凝土。

为分析该桥梁工程的承载力，进行桥梁荷载试验。该试验跨的立面结构如图1所示。

1.2 承载能力试验的目的

对该桥梁工程进行承载力试验，是通过相应的试验方法进行桥梁在荷载状态下的性能进行分析和判断，以了解桥梁结构的基础情况，并分析桥梁主体结构控制截面应力、挠度和开裂状况等性能指标[5]，判断桥梁的结构是否满足工程标准、施工质量是否达标、能否保证运营阶段的安全性。该文主要从静载试验、动载试验以及有限元分析等三个方面进行大跨径悬臂浇筑拱桥的承载能力分析。

1.2.1 静载试验

无铰拱静载试验的主要试验工况是拱脚最大负弯矩工况、拱顶最大正弯矩工况；加载工况包括偏载加载工况和中载加载工况。应变测试选择试验跨拱脚截面、拱顶截面[6]；无铰拱挠度测试选择八分点截面、拱顶截面。

在进行静载试验时，测点的确定应按照《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015）的相关标准完成；挠度测试应选择跨中最大正弯矩截面，同时测试桥跨八分点截面；挠度测试截面横向各个拱肋布置1个点，纵向共7个截面，监测点数量共计14个。挠度测试的监测点布置示意图如图2所示。

静载试验采用的是载重车，每辆车荷载为400 kN。该文采用结构校验系数和相对残余应力作为静载试验的评定标准[6]，两者详情如下所述：

（1）结构校验系数ξ。ξ是桥梁荷载试验获取的数据结果和理论结果的比值，其计算公式为：

式中，Se——实测弹性变形结果；Sc——理论弹性变形结果。

如果ξ<1，表示桥梁结构承载力较好；反之则承载力较差。

（2）相对残余应变Δχ。Δχ是实测残余位移Sp和理论残余位移Sq的比值，其计算公式为：

Δχ的值越小，表示桥梁的抗变形能力越佳，该文工程要求Δχ<20%。

1.2.2 动载试验

动载试验是采取一定的措施，使桥梁结构产生振动，并测定桥梁结构在动载作用下的各种动态参量[7]，如振型、阻尼比、固有频率、行车冲击系数、加速度或动挠度等，进而综合评价桥梁承载能力的试验方法，其更接近桥梁自然应力状态下的受力情况。

该文设置车辆在不同的设定车速下，通过拱桥桥面，测试车辆在桥面上行驶时主拱圈的动位移曲线，并依据该曲线结果计算冲击系数，其公式为：

式中，μ——设计的冲击系数；Smax、Smean——测点的最大挠度值，前者对应动载作用下，后者对应静载作用下。

该文试验时采用的车速分别为10 km/h、20 km/h、30 km/h。

1.2.3 有限元分析

为全面分析大跨径悬臂浇筑拱桥承载能力，该文采用专用空间分析程序Midas Civil进行建模计算分析，全桥共离散为2 947个节点、3 316个梁单元。构建的大跨径悬臂浇筑拱桥有限元模型如图3所示：

模型的边界条件设定：支座的模拟采用一般简支支撑，左侧分别为DX、DY、DZ三个方向的平动自由度，右侧分别为DY、DZ两个方向的平动自由度。

构建的有限元模型中，材料的相关参数如下所述：

（1）C80混凝土，容重为26 kN/m3，弹性模量为3.80×104 MPa。

（2）C50混凝土，容重为26 kN/m3，弹性模量为3.45×104 MPa。

（3）C40混凝土，容重为26 kN/m3，弹性模量为3.25×104 MPa。

（4）沥青混凝土，容重为24 kN/m3。

（5）桥面系：考虑“防水层+8 cm厚沥青混凝土”。桥面铺装、栏杆计算时不考虑其对桥梁上抗弯刚度的贡献，仅计入质量影响，按每延米计入。

依据该模型分析大跨径悬臂浇筑拱桥在不同浇筑施工阶段下的承载能力，该文仅以其中的7个施工阶段为例，如表1所示：

2 结果分析

2.1 静载试验分析结果

依据静载试验，获取桥梁不同测点位置在荷载下的结构校验系数和相对残余应变的试验结果，如表2所示。由于篇幅有限，结果仅呈现其中任意8个测点的结果。

依据表2试验结果可知：在荷载作用下，结构校验系数的结果均在0.74～0.86之间，桥梁结构强度存在一定富余量，满足实际运营需求；并且各个测点的最大残余应力为6.8%，均未超过20%的标准。因此桥梁截面受力状态较好，满足相关规范标准。

2.2 动载试验分析结果

依据动载试验，获取不同车速下的冲击系数结果，并将实际计算结果和理论结果进行对比，判断其动载情况，测试结果如表3所示。

依据表3试验结果可知：在不同的车速下，桥梁测试获取的冲击系数值均在理论值范围内，未超过0.05，最大冲击系数结果仅为0.03。因此车辆通行对于桥梁的冲击较小，桥梁的平稳性良好。

2.3 有限元分析结果

依据有限元模型分析不同悬臂施工阶段下的临界荷载结果，并将该结果和相关规范标准（大于4）进行对比，分析其承载能力，测试结果如图4所示：

依据图4分析结果可知：在不同悬臂施工阶段下，临界荷载系数均在42.3以上，远超规范标准结果。因此桥梁施工过程中的稳定较好，能够最大限度保证桥梁的承载能力。

3 结论

拱桥的承载能力是保证桥梁稳定运行的基础，同时也是桥梁结构性能的核心标准。大跨径悬臂浇筑拱桥作为桥梁工程中的一种典型桥梁结构，其在施工过程中监控难度较大，并且容易受到环境影响。该文以实际工程为例，对大跨径悬臂浇筑拱桥的承载力进行分析，判断该桥梁的结构性能，通过静载试验、动载试验能够全面、有效掌握桥梁的受力情况和工作状态。

参考文献

[1]曹检云， 刘国坤， 孙剑峰. 大跨度悬臂浇筑钢筋混凝土拱桥多目标索力优化研究[J]. 公路工程， 2022（3）： 30-34+56.

[2]许兴伟， 杨琪. 大跨度钢管混凝土拱桥极限承载能力影响研究[J]. 运输经理世界， 2022（8）： 97-99.

[3]钱博. 大跨径桥梁悬臂浇筑智能液压联动预压施工关键技术研究[J]. 科学技术创新， 2023（6）： 149-152.

[4]黄飞元. 既有大跨径石拱桥承载能力分析[J]. 福建建设科技， 2022（4）： 89-91.

[5]张思远， 喻博. 大跨径钢管混凝土拱桥结构稳定与动力性能研究[J]. 中国安全生产科学技术， 2022（4）： 185-190.

[6]许博， 李传习. 基于灰色理论的大跨度钢管混凝土拱桥承载能力检测方法[J]. 吉林大学学报（工学版）， 2022（10）： 2360-2366.

[7]柴生波， 杨清华， 王秀兰， 等. 大跨径中承式钢箱系杆拱桥施工阶段稳定性分析[J]. 科学技术与工程， 2022（18）： 8095-8102.