连续钢桁架拱桥静载试验研究

尹培南

摘要：为了研究长兴县中央大道杭宁高速跨线桥的技术状况及承载能力的评定，通过测定结构在静荷载作用下控制截面应力和变形，并与理论应力和变形值比较，以评定桥梁的实际承载能力和刚度；运用通用有限元软件midas Civil建立有限元模型，，通过内力包络图找出结构的内力较大断面，再通过影响线加载方法计算出相应截面的理论应力和变形。通过实测数据与理论计算数据的比较，桥梁技术状况良好。

关键词：连续钢桁架拱桥；动静载试验；有限元

中图分类号： TU997 文献标识码： A

1试验桥梁概述

本桥钢梁为40.7+100+40.7米三跨连续钢桁拱桥，钢梁全长181.4米，两侧边跨为平弦桁梁，中跨为刚性拱柔性梁的钢桁拱桥，边跨主桁桁式采用有竖杆的三角形桁式，主桁桁高9.5米，桁宽36.3米，节间长度5米。以改善结构受力条件，同时与钢桁拱拱肋下弦匀顺过渡连为一体，中跨钢桁拱桥拱肋采用变高度N形桁架，中间支点处桁高17.2米（包括加劲腿高度），跨中拱肋桁高3米，拱顶至桥面高度20米，矢高27.5米（拱肋桁架中心距），矢跨比3.64，拱肋桁架上下弦拱轴线分别采用不同的圆曲线，上弦拱轴线与边跨平弦轴线采用圆曲线匀顺过渡，两拱脚之间设钢系杆，以承受拱肋产生的巨大水平力。拱肋与系杆之间采用吊杆连接，吊杆最大长度20米。

钢桁梁采用整体式节点，钢梁支座采用铸钢球型滑板式支座。

加劲弦、拱肋下弦、平弦上下弦杆、中弦和拱肋上弦采用焊接箱型截面，截面高600～1040mm，外宽600～632mm，板厚16～32mm。

腹杆采用“H”型截面，截面高568mm，外宽240～560mm，板厚12～14mm。

系桿采用焊接矩形截面，截面高600mm，外宽600～632mm，板厚16～32mm。

桥梁横断面：0.3 m(栏杆)+ 4.5m(人行道) +1.3m(分隔带) +4.5m（非机动车道）+1.6m(分隔带)+22.5m（机动车道）+1.6m(分隔带)+ 4.5m（非机动车道）+1.3m(分隔带) + 4.5m(人行道)+ 0.3 m(栏杆)=46.9m；

桥梁立面图见图1，主桥跨中断面图见图2。

图1主桥立面布置图 (cm)

图2主桥跨中断面图 (cm)

2静载试验的理论计算及实测结果分析

2.1理论计算模型

采用midas Civil 8.05进行计算，计算模型见图3。

图3理论计算模型

2.2试验荷载

静力试验荷载拟采用10辆重33吨的双后轴载重汽车充当加载车，加载车前轴平均重70kN，两后轴平均重130kN，左右轮中心距离为1.80m。就某一加载试验项目而言，其所需加载车辆的数量，将根据设计标准活荷载产生的该加载试验项目对应的控制截面内力或变位等的最不利效应值，按下式所确定的原则等效换算而得。

式中：—静力试验荷载效率；

—试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的控制截面内力或变位等的最大计算效应值；

—设计标准活载不计冲击荷载作用时产生的该加载试验项目对应的控制截面内力或变位等的最不利计算效应值；

—设计计算取用的冲击系数。

《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）中建议，静力荷载试验效率η宜介于0.95~1.05之间。

2.3试验工况及加载位置

试验加载位置和加载车数量应根据以下原则确定：

1）用尽可能少的加载车辆达到最合适的试验荷载效率；

2）在满足荷载效率及达到试验目的的情况下，尽量简化加载工况；

3）前后加载工况应互相兼顾，加载车辆合理调配。

为了防止试验期间对结构造成损伤，就某一加载试验工况，其静载试验分为分两级或三级加载，并逐级卸载。加载方式为单级逐级加到最大荷载，然后逐级卸载至零荷载。

试验加载车辆采用总重33t的3轴加载车，如图4所示。加载车试验前应逐一称重编号，总重误差不得超过±1吨。

图4 加载车辆示意（尺寸单位：cm）

与静载试验内容对应，纵桥向按最不利位置布载；相应的横桥向有两种工况（中载、偏载），偏载主要是为了寻求横向分布的最不利状态，确定偏载增大系数。静载试验设6个工况：

1）工况一：中载作用下，中跨跨中截面处（即S1断面）拱肋及桥面最大挠度，拱顶水平位移；跨中附近北面拱肋内侧上弦杆截面（即S2断面）最大轴力；跨中北面内侧吊杆（即S3断面）最大轴力；跨中中横梁的跨中（即S4断面）最大弯矩及剪力，共需6辆加载车；

2）工况二：偏载作用下，中跨跨中截面处（即S1断面）最大挠度；跨中附近北面拱肋内侧上弦杆截面（即S2断面）最大轴力；跨中北面内侧吊杆（即S3断面）最大轴力；跨中中横梁的跨中（即S4断面）最大弯矩及剪力，共需6辆加载车；

3）工况三：中载作用下，主跨拱脚截面（即S5断面）的北面拱肋内侧下弦杆最大轴力及拱顶水平位移；共需10辆加载车；

4）工况四：偏载作用下，主跨拱脚截面（即S5断面）的北面拱肋内侧下弦杆最大轴力；共需10辆加载车；

5）工况五：中载载作用下，边跨3L/8处（即S6断面）桥面及拱肋挠度，北面拱肋内侧竖杆的应变；共需6辆加载车；

6）工况六：偏载载作用下，边跨3L/8处（即S6断面）桥面及拱肋挠度，北面拱肋内侧竖杆的应变；共需6辆加载车。

2.4静载试验加载效率

各个工况最终试验加载效率见表1（实际加载中采用分级加载）：

表1主桥各中载工况静载加载效率

2.4静载试验结果及分析

各个加载工况下，控制截面的理论应力、挠度、拱肋水平偏位值与相应实测值对比分析见下表2：

表2各个测试断面应变和变位校验系数表

3结论

（1）主桥工况一~工况六控制截面各测点实测应变均小于相应的理论计算值；工况一应变校验系数均值：（S2截面0.84，S3截面0.78，S4截面0.95），工况二应变校验系数均值：（S2截面0.84，S3截面0.76，S4截面0.89），工况三应变校验系数均值：（S5截面0.72），工况四应变校验系数均值：（S5截面0.74），工况五应变校验系数均值：（S6截面0.54），工况六应变校验系数均值：（S6截面0.53），各测点应变校验系数及各工况应变校验系数均值满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》关于校验系数规定的范围（小于1.0），这表明结构的实际承载力能满足公路-Ⅰ级荷载使用要求，且有一定的安全储备；试验结构实测残余应变均不大于20%，表明结构在试验荷载作用下处于弹性工作状态；中、偏载工况作用下受力较大一侧拱肋的应变校验系数并未明显偏大，荷载在两拱肋间的分布合理，结构横向刚度满足设计要求。

（2）主桥工况一～工况二各个测点挠度校验系数及各工况挠度校验系数均值满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》关于挠度校验系数的规定范围（小于1.0）；各工况桥面挠度校验系数均值为0.90（S1截面）、0.46（S1截面），拱肋挠度校验系数均值为0.67（S2截面）、0.63（S2截面），拱肋水平偏位校验系数均值为0.63（S2截面）、0.59（S2截面）；试验孔结构的实际刚度能满足公路-Ⅰ级荷载使用要求，且有一定的安全储备；试验结构实测残余挠度均不大于20%，表明结构在试验荷载作用下尚处于弹性工作状态；中、偏载工况作用下受力较大一侧拱肋的挠度校验系数并未明显偏大，荷载在两拱肋间的分布合理，结构横向刚度满足设计要求。

（3）分级加载主桥结构线性反应表现明显，相对残余应变均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》关于相对残余应变的要求。

参考文献:

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