大跨度钢管混凝土系杆拱桥荷载试验研究

刘 荣

（四川路桥桥梁工程有限责任公司，四川 成都 610000）

1 工程概况

该桥主跨为2×160m下承式钢管混凝土系杆拱桥。主拱为横哑铃形桁式拱，拱轴线为悬链线，拱轴系数1.167，矢跨比1/5，拱肋为钢管混凝土桁式结构，截面全宽2.0m，高度为3.6m。每片拱肋由4根钢管组成（弦杆内灌注C60微膨胀混凝土）。上、下弦横向两根钢管之间分别用钢板作为平联。每跨拱肋设置1道一字型横撑，2道K型横撑。设计荷载为公路I级。全桥布置图如图1所示。面为16个测点外，L/4、拱顶和3L/4截面均布置8个应变测点，全桥共设应变测点112个，采用外贴振弦式传感器测量主拱肋应变。吊杆力仅测量每个工况加载车辆范围内的上下游吊杆，采用频率法进行测量。

图1 总体布置图（单位：cm）

2 荷载试验

荷载试验的目的是验证桥梁结构的设计理论和计算方法是否合理，检验设计及施工质量，判断桥梁结构的实际承载能力，了解桥跨结构的固有振动特性以及其在长期使用阶段的动力性能。结合本桥的结构特点，选取拱脚、L/4、拱顶截面以及4#、5#墩墩底截面作为结构内力控制截面，并以此安排加载工况。

2.1 静载试验加载方案

采用Midas/Civil建立全桥的空间有限元模型，通过计算分析，加载车辆选取450kN双桥车（前轴重90kN，中后轴均为180kN，前中轴轴距4m，中后轴轴距1.4m）进行加载，各静载试验工况的效率系数如表1所示。从表中可以看出，效率系数位于0.95～1.03，满足交通部《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011，以下简称“评定规程”）的要求。

表1 各静载工况荷载效率系数

2.2 测点布置及测试仪器

主拱挠度测点分别布置在上下游拱肋的两侧拱脚、L/4、拱顶、3L/4处，桥面挠度测点布置于拱肋测点对应位置，全桥共设挠度测点40个，采用全站仪进行挠度观测。主拱截面应力测点布置如图2所示（图中三角形为应变测点），除拱脚截

图2 拱肋应变测点布置图

2.3 动载试验内容

本桥动载试验包括了脉动试验、无障碍行车试验和有障碍行车试验。无障碍和有障碍行车试验主要测记主梁应力动态增大效应和动挠度，测点布置在GP跨主拱拱顶截面和主梁跨中截面处。

2.3.1 脉动试验

测定结构固有振动特性（频率和临界阻尼比）。即在桥面无任何交通荷载以及桥梁附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起的桥跨结构微幅振动响应。

2.3.2 无障碍行车试验

主要用于模拟和测定桥面铺装层完好时运行车辆荷载作用下桥跨结构的动力反应。即在桥面无任何障碍的情况下，用两辆重载汽车（单车总重约450kN）分桥轴线对称和桥轴线非对称（桥轴线对称指的两辆车同向分别行驶在上下行车道的中央，桥轴线非对称指的是两辆同向行驶在上行车道或下行车上）两种情况，以每小时10km、20km、30km、40km的速度往返通过桥跨结构，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用于的动力反应。

2.3.3 有障碍行车试验

模拟桥面铺装局部损伤，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力反应。其动载试验荷载及其作用方法与无障碍行车试验相同。不同的是，需在桥跨结构GP方向起边跨试验截面至主跨跨中截面处桥面上设置高度分别为5cm高障碍物（其横断面为底宽20cm，矢高5cm的弓形木板），模拟桥面铺装局部损伤状态，以测定桥跨结构在桥面不良状态时运行车辆荷载作用下的动力反应，行车速度每小时10km、20km、30km、40km。

3 静载试验结果分析

由于本桥试验工况及测点较多，限于篇幅，仅列出工况二荷载作用下GP跨的试验结果进行分析。本桥在工况二荷载作用下的拱肋挠度及桥面挠度实测数据及校验系数等见表2所示，表中数据负值表示挠度向下，正值向上。从表2中数据可以看出，校验系数位于0.38～0.94，且相对残余变形均小于20%，说明桥梁处于良好的弹性工作状态，整体刚度满足公路I级荷载的要求。

表2 工况二GP跨拱肋及桥面挠度实测值

图4 一阶自振模态图（横桥向）

无障碍行车及有障碍行车在不同车速下主梁跨中位置处的冲击系数见表4；跨中动应变测点的时程响应见图5，篇幅所限，仅列出有障碍行车工况。

图5 有障碍行车动应变时程曲线

主拱肋在工况二荷载作用下的实测换算应力如图3所示，图中数据拉应力为正，压应力为负。根据测量结果，工况二荷载作用下主拱肋应变校验系数位于0.43～0.89，均小于1，且卸载过程中应变回复较好，未发现残余大于20%的状况。说明结构处于正常的线弹性状态。

图3 工况二GP跨主拱应力图（横桥向）

工况二荷载作用下GP跨吊杆力实测值见表3所示。表中S表示上游侧吊杆，X表示下游侧吊杆，编号顺序从SQ向GP侧依次增加。从表中数据可以看出，吊杆力实测数据与理论计算值基本符合，校验系数在0.82～0.95之间，均小于1，且上下游相应吊杆力之间差值较小。

表3 工况二GP跨吊杆力实测值

4 动载试验结果分析

采用Midas/Civil结构分析软件对本桥进行模态分析，得出一阶自振频率理论值为0.722Hz，实测一阶自振频率值为0.784Hz，实测值略高于理论值，比值为1.086，说明实际结构的刚度要略大于计算模型。图4为理论计算模态。

表4 主梁跨中位置处冲击系数实测数据

从表4中数据可以看出，在无障碍行车时，实测冲击系数与理论冲击系数比较接近；有障碍行车时，冲击系数大于理论计算值，所以在运营过程中，要注意对桥面铺装的检查，及时修补铺装破损位置，避免过大的冲击系数对桥梁造成损伤。

5 结论及建议

各试验工况的荷载效率系数处于0.95～1.03，满足评定规程的要求，说明试验荷载能够反映设计荷载对结构的作用，试验结果具有参考价值；各工况挠度及应力校验系数均小于1，表明桥梁的实际状况好于理论状况，具有一定的安全储备及良好的整体刚度；试验过程中，结构的几何变形、应力重复性良好，卸载后相对残余均小于20%，表明结构处于弹性工作状态；实测主桥基频为0.784Hz，理论值为0.722Hz，说明结构实际刚度略大于理论刚度；实测冲击系数与理论冲击系数较为接近，结构具有良好的动力性能，能够满足使用要求；有障碍行车时实测冲击系数较大，为1.15～1.23，所以在运营过程中，要注意对桥面铺装的检查，并及时修补铺装破损位置，避免过大的冲击系数对桥梁造成损伤。

[1] 交通部公路科学研究所.大跨径混凝土桥梁的试验方法[M].北京：人民交通出版社，1982.

[2] 陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].北京：人民交通出版社，1999.

[3] JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4] JTG/T J21-2011 公路桥梁承载能力检测评定规程[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5] 苏龙，肖池，胡章立.六盘水市白鹤高架桥荷载试验及分析[J].公路工程，2010（05）:121-127.

[6] 刘武飞.钢管混凝土土拱桥结构动力荷载试验分析[J].公路工程，2012（0 3）:106-110.