下承式钢桁架拱桥静力试验研究

■王汪阳

（新疆兵团勘测设计院（集团） 有限责任公司，乌鲁木齐 830002）

自古以来拱桥因造型美观、坚固耐用在我国桥梁发展历程中占据重要地位。 钢桁架拱桥是拱桥中的一种，其桥跨结构两侧采用拱形桁架，中间采用实腹段[1]。 在钢桁架拱桥设计时，每个杆件均可根据受力情况而确定截面形式，这样既可以提供各杆件之间的工作效率，又可以大大降低工程造价。 对于桁架体系而言，具有重量轻、体积小、刚度大、受力性能好的优点[2]。 因此，近年来钢桁架拱桥成了国内外专家学者研究的重要课题[3-4]。

桥梁在建成通车前， 需要进行成桥荷载试验，以验证工程的质量及桥梁的受力情况，明确桥梁成桥后的应用状况、检验设计及施工的合理性，同时为类似桥梁在设计和施工时提供参考依据。

1 工程概况

本研究以某下承式钢桁架拱桥为工程背景，主桥结构形式为（22+106+22）m。 该桥的拱轴线下弦杆采用圆弧线与二次抛物线，下弦杆采用二次抛物线，拱顶桁架高度为3.5 m，矢跨比1/5.5，下拱肋矢高19.27 m，桥宽38 m，双向六车道。 在顺桥向拱脚处一端设置固定支座，另一端设置滑动支座。

主梁为主纵梁、钢横梁、次纵梁共同受力的结构， 桥面系为正交异形板， 桥梁中心线处梁高2.57 m。钢材型号为Q345qC 钢材；主横梁的断面形式为工字型断面，吊杆采用平行钢丝吊杆，吊杆索体采用85 根φ7 mm 平行钢丝， 标准强度为670 MPa。下部结构桥墩采用柱式墩，钻孔灌注桩基础，墩柱与桩基通过承台连接，根据受力需要，钻孔灌注桩直径分别选用1.5 m、1.8 m。

设计荷载：恒载（自重、二期恒载）、活载（城-A荷载、人群荷载）、支座不均匀沉降、风荷载和温度荷载等。 该桥立面布置图如图1。

图1 桥梁立面结构布置（单位:cm）

2 静力试验工况分析

2.1 有限元模型的建立

本拱桥采用有限元结构分析软件Midas/Civil建立钢桁架拱桥的有限元实桥模型，采用梁单元模拟主纵梁、次纵梁、横梁、桁架拱、风撑等构件，采用板单元模拟桥面板部分， 采用桁架单元模拟吊索，实桥模型共1 600 个梁单元，600 个板单元，30 个桁架单元，拱桥有限元模型见图2。

图2 拱桥有限元模型

2.2 静力试验工况的确定

通过对实桥有限元模型在成桥状态下的受力分析，结合拱桥荷载试验相关参考文献，最终选取以下3 个测试截面分别为：A-A 截面（拱顶截面）、B-B 截面（L/4 截面）和C-C 截面（墩顶截面）[6]。 测试截面布置见图3， 各测试断面的加载工况如表1所示，各工况加载布置图如图4 所示。 为保证静力试验结果的有效性及可靠性，本次静力试验最多选用了14 辆300 kN 的三轴载重汽车。 静力试验车辆荷载布置分为中载和偏载2 种，分别在跨中位置及L/4 位置处进行加载。

图3 拱桥测试断面示意图

表1 测试断面的加载工况

图4 工况加载布置示意图（单位：m）

3 静力试验结果分析

3.1 应力数据测试结果及分析

在测试过程中钢桁架拱桥主梁、 横梁及拱肋的应力是最能直观体现桥梁的受力状况的关键性数据。 应力的测试是通过综合测试仪连接预先埋设好的应变计测出应变的变化值，然后转换成应力值。 全桥各测试截面的应力实测值与理论值数据见表2～4。

表2 主梁应力实测值与理论值对比

表3 横梁应力实测值与理论值对比

表4 拱肋应力实测值与理论值对比

根据表2～4 可知， 在各工况下钢桁架拱桥主梁、横梁及拱肋的应力校验系数在0.76～0.96，最大残余比为4.58%，均小于20%，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）的相关要求[8]。通过静力试验下主梁、 横梁及拱肋的应力大小可以看出，该桥结构受力情况较好，各测点应力变化值均小于理论值且变化趋势相接近。

3.2 挠度数据测试结果及分析

挠度是能够宏观反映钢桁架拱桥的结构刚度的重要参数， 是静力试验测试的又一大重要控制性指标。 本次主要测试钢桁架拱桥的横梁挠度及拱肋挠度，采用精密水准仪进行测量[9]。 各工况下钢桁架拱桥的横梁及拱肋挠度实测值与理论值数据见表5～6。

表5 横梁挠度实测值与理论值对比

表6 拱肋挠度实测值与理论值对比

根据表5～6 可知，在各工况下钢桁架拱桥的横梁、拱肋的挠度校验系数在0.77～0.92，残余比均小于20%，表明该桥的结构恢复变形能力较强，钢桁架拱桥整体刚度较好。

3.3 吊杆索力数据测试结果及分析

吊杆是系杆拱桥结构中主要受力构件，吊杆的受力状况会影响到拱桥的安全运行。 本次试验采用索力动测仪对各工况下吊杆的受力状况进行测试，各个工况吊杆索力测试结果见图5。

图5 吊杆索力实测值与理论值对比图

由图5 可知，不同工况下，吊杆索力实测增量与有限元模型计算的理论值基本一致，校验系数在0.82～0.94，表明该桥的吊杆受力状况较好，满足桥梁的整体要求。

4 结语

本次钢桁架拱桥静力试验采用结构受力最不利原则进行，测试了该桥在不同工况下静力特性的响应。 本次静力试验荷载效率系数在1.03～1.05，能够较好地模拟钢桁架拱桥在最不利状况下的静力响应。 通过对该桥的静力特性的实测数据与理论数据对比分析，得到以下结论：

（1）该桥的应力校验系数在0.76～0.96，卸载后各测点测试数据归零情况较好，最大残余比4.58%，均满足规范限值低于20%的要求， 说明该桥的强度、刚度均达到设计预期效果。

（2）该桥的挠度校验系数在0.77～0.92，最大挠度值为22.6 mm，未超过L/600 的规范要求，残余比均小于20%， 表明该桥的结构恢复变形能力较强，钢桁架拱桥整体刚度较好。

（3）索力校验系数在0.82～0.94，吊杆索力实测增量与有限元模型计算的理论值基本一致，表明吊杆的受力状态比较理想。

（4）该桥静力测试结果表明，钢桁架拱桥整体受力较好，结构工作状态、承载能力及刚度均满足设计要求，在实际工程应用中具有广阔的应用前景。