上承式钢管混凝土桁构式拱桥承载能力分析与评估

秦 双 朱 坤

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430052)

钢管混凝土桁构式拱桥是钢-混组合结构，主拱肋内填混凝土增加钢管壁的稳定性，钢管对混凝土形成套箍作用，混凝土处于三向受压状态，充分发挥其抗压强度。而且跨径大、形式优美、结构轻、受力合理[1]。

由于钢管混凝土桁构式拱桥结构形式较为复杂，在周期性活荷载和自然环境作用下，桥梁实际承载能力可能有所降低，影响桥梁结构正常使用性能，因此对既有钢管混凝土桁构式拱桥承载能力进行分析与评估至关重要，同时也可为桥梁日常养护管理工作提供依据。

本文以某既有上承式钢管混凝土桁构式拱桥为研究对象，通过最直接有效的静载试验和动载试验，分析桥梁结构的实际承载能力能否满足设计荷载等级要求，评估桥梁运营与使用是否处于安全状态[2]。为研究同类型桥梁结构提供一定的参考与借鉴。

1 工程概况

该桥为变截面上承式钢管混凝土桁构式拱桥，主孔净跨径260 m，腹孔跨径组合为7×20 m+7×20 m。主桥桥宽11 m，全长280 m。矢跨比为1/5，矢高52 m，拱轴系数m=1.756。

拱肋为变高等宽的钢管混凝土桁构，主拱肋设横撑以加强其共同受力。弦管采用直径1 020 mm×壁厚14 mm钢管(Q345)内灌C50混凝土；腹杆有竖直腹杆和斜腹杆，2种均采用直径426 mm×壁厚10 mm钢管(Q345)，仅在拱脚与铰连接处的两斜腹杆内灌C50混凝土，其余腹杆均不灌混凝土，平联杆采用直径426 mm×壁厚10 mm钢管，管内均不灌混凝土，拱肋间横向联系及肋内剪刀撑采用直径180 mm×壁厚6 mm钢管。拱上建筑均为20 m跨度先简支后结构连续预应力混凝土空心板，主桥为钢筋混凝土拱座。拱上立柱采用钢管混凝土排架。竖向主管采用直径426 mm×壁厚10 mm钢管，内灌C50混凝土，主管间纵横向平联管采用直径180 mm×壁厚6 mm钢管，其内不灌混凝土。

拱桥桥型布置见图1。

图1 拱桥桥型布置图(单位：cm)

2 理论计算分析

2.1 有限元模型

基于midas Civil分析软件，结合上承式钢管混凝土桁构式拱桥的结构特点，采用梁单元和板单元进行建模[3]，全桥共计5 851个节点，9 954个梁单元，3 096个板单元。其边界条件及计算荷载选取如下。

1) 边界条件。主拱肋两拱脚采用固结连接，主桥两端空心板采用铰接连接，空心板与拱上盖梁采用弹性连接，空心板之间采用虚拟横向联系连接。

2) 计算荷载。混凝土容重取26 kN/m3，钢构件容重取78.5 kN/m3；二期荷载换算成均布荷载施加在梁单元上，计算结构频率时需将二期荷载转换为结构自重；汽车荷载为汽车-20级，挂车-100级，人群荷载为3.5 kN/m2，设计车速为20 km/h。

拱桥空间有限元模型见图2。

图2 拱桥空间有限元模型

2.2 静载试验方案

1) 试验工况。根据该桥的结构受力特点，选择主要控制截面(拱顶和拱脚)作为研究对象，以中载方式进行加载。

工况一：拱顶最大正弯矩及挠度工况。

工况二：拱脚最大负弯矩工况。

2) 静载试验效率。本次加载采用弯矩等效原则，试验选用3轴后8轮350 kN加载车辆(前轴重约70 kN，中后轴重均约140 kN)，静力试验荷载效率宜在0.95～1.05之间，控制截面静力试验荷载效率见表1。

表1 控制截面静力试验荷载效率表

注：工况一采用10辆、工况二采用8辆3轴后8轮350 kN加载车；主拱肋弦杆受压为负，受拉为正；挠度向下为负，向上为正。

3) 应变、挠度测点布设

①在钢管拱的拱脚、拱顶布置应变测点，上下弦杆布设8个测点(S1～S8)、竖腹杆布设4个测点(F1～F4)、斜腹杆布设4个测点(X1～X4)，每个控制截面设16个测点，共计32个测点，应变测点均布置在钢管拱表面。主桥拱脚、拱顶控制截面测点布置见图3。

图3 主桥拱顶、拱脚控制截面测点布置

②依据规范要求，在距人行道10 cm处布置挠度测点，每侧8个，共计16个测点，采用精密水准仪进行测试。主桥挠度测点布置见图4。

图4 主桥挠度测点布置(单位：cm)

2.3 动载试验方案

1) 自振特性分析。基于有限元模型，对桥梁进行特征值分析[4-5]，理论频率及振型见图5。

图5 理论振型

2) 脉动试验测点布设。根据自振特性理论分析，每个主拱肋布设7个测点，共计14个测点。主桥脉动试验测点布置见图6。

图6 主桥脉动试验测点布置(单位：cm)

根据桥梁的计算振型特性，采集各测试点振动响应信号。每次采集约30 min。

3) 跑车试验测点布设。主桥跨中主拱肋布置1个动挠度测点。主桥动挠度测点布置见图7。

图7 主桥动挠度测点布置(单位：cm)

3 荷载试验结果分析

3.1 静载试验

1) 工况一。在最大荷载作用下，拱顶截面弦杆测点S6、竖腹杆测点F4、斜腹杆测点X4应变结果见表2。

表2 拱顶截面测点应变结果表

在最大荷载作用下，拱顶截面测点A，B的实测弹性挠度分别为-20.0 mm，-19.0 mm，对相应的校验系数分别为0.887，0.843，相对残余分别为5.2%，4.5%。工况一最大荷载作用下桥梁竖向挠度见图8。

图8 最大荷载作用下桥梁竖向挠度

2) 工况二。在最大荷载作用下，拱脚截面弦杆测点S1、竖腹杆测点F1、斜腹杆测点X2应变结果见表3。

表3 拱脚截面应测点变结果表

由以上图表可知：

1) 主要应变测点校验系数为0.500～0.966，主要挠度测点校验系数为0.843～0.887，相对残余均不大于20%，在合理范围内[6-7]。

2) 基于该桥结构的特殊性(钢-混组合结构)，主要测点的校验系数与规范[8]是相符合的。

3.2 动载试验

1) 脉动试验。根据理论振型，选取合适的参考点，采用江苏东华无线桥梁模态测试分析系统DH5907N，得到该桥的模态参数见表4，实测振型见9。

表4 实测模态参数与理论值对比表

图9 实测振型

由以上图表可知，该桥实测各阶竖向弯曲频率和横向弯曲频率与理论频率基本相符，实测振型与理论振型基本一致，实测阻尼比为2.49%～4.67%，说明实测数据能够很好地反映桥梁的振动且无明显缺陷，结构整体动刚度满足规范要求。

2) 跑车试验。采用光电挠度仪进行测试，测试时采用1辆350 kN的载重汽车，分别以10，15，20 km/h的车速匀速驶过桥梁，每一车速下行驶3次。跑车试验测试结果见表5。

表5 跑车试验测试结果表

由表5可见，各车速下实测动力增大系数为1.039～1.074，冲击系数为0.039～0.074，最大冲击系数为0.074，略大于理论冲击系数0.050。

4 结论

1) 该桥主要应变、挠度校验系数，相对残余均在合理范围内。基于该桥为钢-混组合结构，主要测点的校验系数介于钢筋混凝土拱桥与钢桥之间。

2) 该桥为上承式钢-混桁构式拱桥，属于高次超静定无铰拱，自振特性理论分析与实测结果较为吻合，且由低阶横、竖向弯曲频率和振型分析可知，结构自振特性能够反映桥梁的横向稳定性。

3) 该桥实测最大冲击系数略大于理论冲击系数，这与桥面铺装的不平度、粗糙度有关，为研究冲击系数提供一个方向。

4) 基于现场荷载试验，可以很好地掌握该桥的结构受力特性，以分析与评估其承载能力，为该桥日常养护提供依据，对研究运营状态下同类型桥梁结构的承载能力具有一定参考与借鉴价值。