下承式拱梁组合结构桥梁荷载试验研究分析

陈 勇

(福州市建筑科学研究所 福建福州 350005)

0 引言

钢管混凝土拱桥主要结构体系根据车承形式与是否有推力可分为(有推力)上承式拱、(有推力)中承式拱、(部分推力)中承式刚架系杆拱、(部分推力)下承式刚架系杆拱和(无推力)下承式拱梁组合结构，其中下承式拱梁组合结构在市政桥梁工程中应用最多[1]。在市政桥梁工程的发展中，荷载试验起到了重要的作用。大量的试验研究成为促进市政桥梁结构设计计算理论、设计方法不断发展的重要因素之一。本文对福州某下承式拱梁组合结构桥梁进行荷载试验，了解在与设计荷载基本相当的试验荷载作用下钢管混凝土拱桥的受力状态，评定钢管混凝土拱桥结构的承载能力和使用条件，检验设计与施工质量，同时为下承式拱梁组合结构等类似桥梁的设计及荷载试验提供参考。

1 工程概况

某下承式拱梁组合结构桥梁位于福州市文博路，横跨晋安河，设计长度为51m，设计宽度为19m。桥台采用钢筋混凝土结构，基础采用钻孔灌注桩。该拱桥总体布置如图1所示。

图1 拱桥总体布置图(单位：mm)

2 有限元分析

为了确定拱桥控制截面的位置，采用Midas/civil桥梁结构通用有限元分析与设计软件对该拱桥进行有限元分析并建立计算模型。模型中拱肋、系杆均采用梁单元模拟；吊杆采用只受拉的桁架单元模拟，具体模型如图2所示。模型中原点O设置于某一拱脚处，该处支座设定为固定支座(同时约束横桥向支座的X方向和纵桥向支座的Y方向)，其余支座设定为活动支座；拱肋和系杆采用固结连接。

图2 有限元分析模型

3 静力特性分析

3.1 静载试验工况

表1 载重汽车技术指标及轴重明细

图3 工况一载重汽车加载位置图(单位：cm)

图4 工况二载重汽车加载位置图(单位：cm)

图5 工况三、工况四载重汽车加载位置意图(单位：cm)

3.2 静载测点布置

3.2.1变形测点

变形测试主要包括钢箱梁1个测试截面和拱肋1个测试截面，如图1中D截面和A截面。钢箱梁、拱肋变形采用精密水准仪和百分表进行测试，挠度测点分别布置在钢箱梁跨中截面处的桥面板上和拱肋拱顶位置，对称两侧各2个测点，具体位置如图6～图7所示。

图6 钢箱梁跨中截面挠度测点位置图(单位：cm)

图7 拱肋拱顶截面挠度测点位置图(单位：cm)

3.2.2应变测点

依据计算结果，应变测试主要包括钢箱梁的跨中截面和拱肋的拱顶、L/4、拱脚截面，如图1中D截面和A截面、B截面、C截面，共18个测点，测点位置如图8～图9所示。

图8 钢箱梁跨中截面应变测点位置图(单位：cm)

a)拱顶 b)L/4 c)拱脚

3.2.3索力测点

索力增量测试包括图1中1#～9#吊杆，对称两侧共18个吊杆。在拱桥各吊杆上安装加速度传感器，采用索力测试仪进行量测。

3.3 静载试验结果分析

3.3.1变形数据分析

工况1～工况3下静载测试截面各测点的挠度数据详见表2～表4。由表2～表4中数据可知，工况一～工况三下静载测试截面各测点的挠度实测值均小于理论计算值，校验系数均小于1.0，最大挠度实测值为8.01mm，相应的挠跨比为1/6367，小于规范规定的限值1/800[8]，表明拱桥刚度达到设计要求。相对残余挠度均小于20%，满足规范限值要求[2]，表明拱桥结构工作状态处于弹性阶段。

表2 工况一测点挠度 m

表3 工况二测点挠度 m

表4 工况三测点挠度 mm

3.3.2应变数据分析

工况一～工况四下静载测试截面各测点的应变数据详见表5～表8。由表5～表8中数据可知，工况一～工况四下静载测试截面各测点的应变实测值均小于理论计算值，校验系数均小于1.0，最大应变实测绝对值为106με，远小于钢材(Q345)的屈服应变1311με，表明拱桥刚度达到设计要求。相对残余应变均小于20%，满足规范限值要求[2]，表明拱桥结构工作状态处于弹性阶段。

表5 工况一测点应变 μ

表6 工况二测点应变 μ

表7 工况三测点应变 μ

表8 工况四测点应变 με

3.3.3索力数据分析

工况二下左右侧各吊杆的索力增量数据详见表9。由表9中数据可知，工况二下左右侧3#、4#、6#、7#各吊杆的索力增量实测值均小于理论计算值，校验系数均小于1.0，表明吊杆强度满足设计要求。

表9 工况二吊杆索力增量 kN

4 自振特性分析

拱桥采用脉动法测试自振特性，测点布置在拱桥钢箱梁的L/4、L/2、3L/4截面和拱肋的2个拱脚、L/4、拱顶、3L/4截面处，拱桥的竖向一阶自振频率实测值为4.79Hz，大于相应理论计算值3.86Hz，实测竖向第一阶振型图如图10所示。自振特性试验结果表明，该拱桥实际成桥整体刚度满足设计要求。

图10 实测竖向第一阶振型图

5 吊杆受力分析

吊杆是下承式拱梁组合结构桥梁的主要组成部分，其工作状态能反映出拱桥是否安全。通过对下承式拱梁组合结构桥梁内吊杆结构进行数值分析，可得恒载、活载作用下各吊杆的索力变化曲线如图11所示。由图11可知，恒载作用下拱桥吊杆左右侧的索力变化一致且呈对称分布；而活载作用下拱桥吊杆左右侧的索力变化差异相对明显，但两侧吊杆的索力由于最不利荷载的布置差别较小，整体上仍呈对称分布；在恒载或活载作用下各吊杆均处于受拉状态，其中吊杆索力受恒载影响比活载较大。

(a)恒载作用

(b)活载作用

6 结论

(1)静载下拱桥的测试截面挠度、应变的校验系数均小于1.0，表明拱桥强度、刚度达到设计城-A级的安全使用要求，施工控制水平较高；拱桥的测试截面相对残余挠度、相对残余应变均小于20%，表明拱桥结构工作状态处于弹性阶段；拱桥的左右侧各吊杆索力增量的校验系数均小于1.0，表明拱桥各吊杆强度满足设计城-A级的安全使用要求。

(2)空载下拱桥的竖向振动基频实测值为4.79Hz，大于相应的理论计算值3.86Hz，表明拱桥实际成桥整体结构性能良好。

(3)活载下吊杆的索力变化明显小于恒载；恒、活载下拱桥左右侧吊杆的索力变化基本一致，呈“M型”对称分布，且各吊杆均处于受拉状态；布置于吊杆结构内的预应力钢束能有效改善吊杆受力状态，但拱桥长期使用过程中钢束的预存力会逐渐减少，因此运营过程中可以通过增加吊杆增强拱桥承载力。

通过理论计算和现场试验结果分析,下承式拱梁组合结构桥梁可应用于市政桥梁工程, 能达到设计强度及变形能力的要求, 但运营过程中需加强吊杆索力监控。

通过在下承式拱梁组合结构桥梁结构上施加与设计荷载基本相当的试验荷载，了解钢管混凝土拱桥结构的受力状态，评定钢管混凝土拱桥结构的承载能力和使用条件，检验设计与施工质量，同时为下承式拱梁组合结构等类似桥梁的设计及荷载试验提供参考。