大跨度钢管混凝土系杆拱桥静载试验研究

王立新WANG Li-xin

（衡阳市城市建设投资有限公司，衡阳421000）

0 引言

钢管混凝土系杆拱桥结构形式新颖，施工工序复杂，一般在工程竣工后，通过荷载试验，对桥梁的整体性能、施工质量和实际承载能力进行全面评价，为桥梁竣工验收和质量评定提供科学依据，并为桥梁后期的使用条件和管理养护提供参考建议[1]。

1 工程概况

衡州大道跨京广铁路立交主桥采用刚架式钢管混凝土系杆拱桥，主桥长172m，吊索段桥面宽28.6m。其设计荷载为：城市－A级，不考虑人群荷载[2]。主拱拱肋采用等截面钢管混凝土桁架结构，拱轴线为悬链线，拱轴系数1.05，矢跨比为1/4.5。主桥设20对吊杆。每片拱肋各设10根可换索式钢绞线系杆，桥面系采用悬吊体系，由钢横梁、钢纵梁、桥面预制板及现浇层组成钢-混组合结构。

每片拱肋桁架上、下弦杆由四根φ800×14mm的钢管及平联缀板组成，腹杆采用φ273×12mm的钢管，腹杆内不灌注混凝土。根据横向稳定的需要，钢管混凝土两主拱肋之间设置了7道“一”字形横撑，横撑内不填充混凝土。

2 静载试验

2.1 结构模型 采用通用软件MIDAS/Civil建立了空间有限元模型。拱肋空钢管采用梁单元，钢管内混凝土采用施工联合截面法进行模拟，全桥共包含2811个单元，1630个节点。

2.2 试验工况 结合钢管混凝土系杆拱桥的受力特点与该桥实际施工、使用情况，选择了墩底、拱顶、1/4拱肋截面作为应力控制截面，分别确定为工况1、工况2、工况3，静载试验工况、测试内容见表1。

桁架型钢管混凝土拱桥中，主拱拱肋是由弦杆、平联板和腹杆组合而成，在其有限元模型中，以两根上弦杆与平联板组合建立上拱肋单元，以两根下弦杆与平联板组合建立下拱肋单元，上、下拱肋单元通过腹杆连接形成主拱拱肋。由于主拱拱肋是由上、下两部分组成，故有限元模型只能够求出对应的上、下拱肋的截面内力，而不能够求出主拱拱肋的截面内力。

首先由上述有限元模型，求出各工况测点处的应力影响线。再按照桥梁设计荷载，利用重型车辆进行等效加载。由此确定各工况车辆布置情况，对于车辆布置最多的工况1，进行分三级加载，各工况车辆加载数量见表1。由于篇幅限制，本文并未给出各工况车辆布置的具体位置[5、6]。

静力荷载试验效率按照《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）中第8.1.2节进行计算，计算结果见表1。

表1 试验荷载布置表

2.3 测点布置 该桥桥面挠度布置10个测点，分别选取桥面两端部、L/4、L/2、3L/4截面作为挠度测试面，南北侧各5个测点。

选取墩底、北侧拱肋的两拱脚、L/4、L/2、3L/4截面作为应变测试截面，墩底应变计布置于内外两侧，拱肋截面则在上弦杆与上平联板上缘布置应变片。

3 静载试验结果分析

3.1 挠度测试结果 各工况实测挠度值与理论值对比见表2。全桥实测桥面向下最大挠度-52mm，小于相应理论值-58mm。实测拱顶向下最大挠度-28，小于相应理论值-33。对于三个工况中校验系数均小于1，桥梁的实际状况要好于理论状况。

3.2 应变测试结果 由于本次试验应变计布置较多，拱肋上的每个测点均布置了3个应变计，主墩上的每个测点布置了6个应变计，受篇幅限制，分别列出了墩底、拱肋、拱脚应变最大值以及对应工况，见表3。桥墩、拱肋实测应变均小于理论值，校验系数在0.8以上，符合规范要求。墩底截面与主拱拱肋截面各测点应变校验系数均小于1，桥梁实际应力状况要好于理论状态。

表2 桥面挠度实测值与理论值比较

表3 实测最大应变值

3.3 吊索索力 为了检验吊索的工作性能，采用索力动测仪对吊索索力进行测试。根据张力弦振动公式：式中：F——吊索的自振频率；L——吊索的长度；ρ——吊索的材料密度；δ——吊索的拉力。

由此可知，明确了吊索的材料和长度之后，测量吊索的振动频率就可确定吊索的拉力。

工况2满载时跨中吊索同时处于最不利状态，实测跨中吊索索力为72.7吨，略大于理论计算值72.2吨，两者基本吻合，实测值偏大，故该桥在后期使用过程中应注意加强对吊索的防护。

4 结语

通过本文分析，对于桁架型钢管混凝土拱桥，其拱肋上的控制截面不能够通过内力影响线进行等效加载，需采用应力影响线进行等效加载。

在试验荷载作用下，桥面挠度变形、墩底应变、拱肋应变、吊索索力实测值与理论计算值均大致相等，检验系数基本满足相关要求，且除吊索索力外，实测值均小于理论计算值，说明该桥结构设计合理，主墩、主拱、吊杆强度、刚度满足设计要求，说明结构处于较好的弹性工作状态。

[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京：人民交通出版社,2007:519-533.

[2]建设部城市建设研究所.城市桥梁设计荷载标准[S].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[3]鲍卫刚.桥梁承台桩基础柔度的模拟[J].华东公路,1992（5）:16-17.

[4]交通运输部公路科学研究院.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]陈昀明,韦建刚,陈宝春.泉州百崎湖大桥静动载试验分析研究[J].公路工程,2009（34）5:104-108.

[6]杨勇,张俊平,李永河,梅力彪.某多跨PC连续梁桥静动载试验分析[J].广州大学学报（自然科学版）,2012（11）1:58-63.