某大跨中承式钢箱提篮拱桥荷载试验

王银刚， 程华强， 高云， 程志远*

(1. 湖北第二师范学院建筑与材料工程学院， 武汉 430205； 2.湖北省BIM智慧建造国际科技合作基地， 武汉 430205； 3.武汉市市政建设集团有限公司， 武汉 430023)

近十几年来，随着城市化进程的加快，一些景观桥梁越来越多地出现在城市交通线上，提篮拱桥就是其中一种。相比于平行拱，提篮拱将拱肋内倾，不仅提高了拱桥横向刚度[1-2]，而且在工程造价方面也具有优势[3]，是一种美观、经济并兼具力学优点的桥型。

自中国第一座中承式钢箱提篮拱桥——小湾大桥(主跨130 m)于2003年建成通车以来，国内陆续建成了多座同类大跨径桥梁，在该类桥型的设计[4-7]和施工[8-10]方面积累了大量工程经验。拱桥的跨径越大、造型越复杂，其设计、建造过程所面临的技术难度也越高，成桥具有初始缺陷的风险也越大。研究表明，大跨径钢拱桥的初始缺陷(如焊接缺陷[11]和初始几何缺陷[12]等)会对成桥内力和变形产生较大影响。因此，大跨径桥梁建成后，为保证桥梁运营期间的可靠性，常常需要进行荷载试验，以此检验桥梁结构是否达到设计预期，并及早发现桥梁存在的缺陷及异常现象。同时，荷载试验也是验证设计阶段采用的设计参数是否合理，力学计算采用的边界条件和力学简化是否恰当等问题的有效途径。

长期以来，学者们对提篮拱桥的稳定性和动力分析等方面做了大量研究，有力地推广了该类桥型的工程应用。稳定性方面，隋伟宁等[13]研究了不同的拱肋内倾角对拱桥抗震性能的影响，认为增大拱肋内倾角可有效提高拱桥的抗震性能。但是，过大的内倾角则会导致拱肋扭转失稳[14]，且大内倾角拱肋的几何非线性对稳定性的影响也是一个不容忽视的问题[15]。动力特性方面，通过环境激励(脉动或风荷载)和动载试验对复杂桥梁结构进行动力特性评估是常用的研究方法。田仲初等[16]对云南小湾大桥进行了整桥模态试验研究，通过环境激励实测了该桥前五阶模态振型与频率。秦世强等[1]用经过脉动试验确认后的有限元模型分析了菜园坝长江大桥的矢跨比、内倾角、拱肋刚度等主拱结构参数对动力特性的影响。胡金海[2]对某钢管混凝土中承式人行桥进行脉动试验，研究了吊杆初期轴力和拱肋内倾角对该桥动力特性的影响。然而，上述对中承式提篮拱桥动力特性只研究了环境激励下结构的自振特性，尚缺乏跑车、跳车、刹车等动力荷载测试数据。活载冲击系数是桥梁结构设计的重要数据之一，其影响因素较多。通常认为冲击系数受桥面平整度、结构体系、吊杆长度、桥面宽度等因素的影响，导致其实测值与设计规范中的公式的计算值差异较大[17]，而活载冲击系数的实测值则由动载试验得到。

因此，现以某新建的主跨196 m中承式钢箱提篮拱桥为研究对象，该桥自建造以来面临着施工技术要求高，工艺复杂，实施过程直接受汛期、风雨等天气因素的影响非常大等特点，为准确掌握该桥在服役荷载作用下的力学性能，对该桥进行了成桥荷载试验[18]。本桥的荷载试验面临控制截面多、加载工况多、测点布置多的特点。其中，静载试验实测应力(应变)、吊杆索力、挠度、拱座水平位移多个力学参数，动载试验实测结构自振频率以及跑车、跳车、刹车激励作用下结构的动力响应。本桥的荷载试验方案和实测数据可供同类桥型参考。

1 工程概况

武汉市江北快速路新河大桥[4]桥梁全长928 m，跨径布置为：2×(5×30) m装配式小箱梁+(48+196+48) m钢箱拱+(6×30+5×30) m装配式小箱梁。主桥全宽40.5 m，按双向八车道设计。主拱采用等截面钢箱型提篮拱(图1)，拱肋向内倾斜，与竖向成10°夹角；主拱矢高f=43.556 m，矢跨比f/L=1/4.5，拱轴线为悬链线，拱轴系数m=1.6。边拱采用混凝土箱型拱肋，矢高f=11.26 m，悬链线拱轴系数m=1.2，截面尺寸为2.5 m(宽)×4.0 m(高)。边拱肋端部设置横梁，横梁采用L形截面。全桥设置拱上立柱20根，均为混凝土矩形实心立柱，截面尺寸为1.5 m×1.5 m和1.3 m×1.5 m。全桥吊杆均采用带球铰的吊杆，间距采用8 m布置，全桥共设置吊杆40根，吊杆采用钢绞线整束挤压拉索体系。

图1 新河大桥主桥桥型立面图[4]Fig.1 Elevation of Xinhe Bridge[4]

2 试验内容

(1)静载试验：①通过静力荷载试验，了解试验桥跨结构控制截面在最不利荷载作用下最不利位置的应变分布情况、应变与荷载效率的关系、实测值与理论计算值的对比情况；②通过分析在最不利试验荷载作用下试验桥跨控制截面挠度观测情况，评价结构的整体刚度。

(2)动载试验：①通过自然脉动试验，测定试验桥跨结构自振特性，如结构的自振频率等；②通过跑车、刹车和跳车试验，测定试验桥跨结构在动力荷载作用下受迫振动特性，如冲击系数、频率、阻尼比等。

3 静载试验

3.1 实施方案

3.1.1 试验工况及测试截面

根据新河大桥主桥结构特点及现场条件，在进行结构分析计算的基础上，选取主拱和边拱共11个控制截面(表1中J1～J11，图2)进行荷载试验。根据理论计算得出各控制截面的弯矩影响线和试验控制内力，对主桥控制截面进行中、偏加载。静载试验共布置18种加载工况(表1中C1～C18)。

表1 静载试验控制截面及加载工况Table 1 Static load test control sections and loading cases

图2 控制截面示意图Fig.2 Schematic diagram of control sections

3.1.2 试验条件

(1)试验环境。荷载试验在封闭交通的状态下实施，同时，为减少温度变化对静载试验测试结果的影响，静载试验原则上宜选择在气温变化不大于2 ℃时间段进行。本次静载试验过程中未发生异常情况。

(2)试验荷载。根据《城市桥梁检测与评定技术规范》[19]的要求，桥梁的静力试验按荷载效率ηs来确定试验的最大荷载。静力荷载效率ηs的计算公式为

(1)

式(1)中：Sstat为静力试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力、应力或挠度的最大计算效应值；Sk为检算荷载产生的同一加载控制截面内力、应力或挠度的最不利效应计算值；μ为设计规范取用的冲击系数值；ηs为静力试验荷载效率，依据规范宜介于0.85～1.05。

静载试验采用三轴载重汽车加载，汽车荷载的选用遵循以下原则：①使各控制截面加载效率系数满足静力试验荷载效率的要求；②在满足试验要求下尽可能减少加载用车数量。主桥采用单车重320 kN车辆加载。

3.2 加载方案及测点布置

3.2.1 试验加载布置

根据桥梁施工图文件，采用Midas/Civil软件进行计算，汽车荷载采用城-A级荷载。有限元计算模型如图3所示。

试验按照控制截面内力等效原则，桥梁纵向按各工况下最不利影响线位置布载(图4)，横向按图5所示进行中、偏布载，计算出在该试验荷载作用下各截面的试验弯矩，并计算得到试验荷载效率。为提高试验效率，通过大量的有限元分析，在满足试验目的前提下，对前述18个加载工况进行适当合并，最终组成9个试验工况。表2列出了J1～J4截面按中载布载及J5、J6截面按偏载-Ⅰ布载的试验荷载效率，表中的数据表明试验荷载效率满足规范[19]要求。

图3 新河大桥有限元模型Fig.3 Finite element model of Xinhe Bridge

图5 横向布载示意图Fig.5 Transversal arrangements of vehicle loads

表2 试验荷载效率Table 2 Table of load efficiencies

3.2.2 试验测点布置

(1)挠度测点布置。在桥面布置挠度测点，如图6所示，挠度测量采用电子水准仪。

(2)应力(应变)测点布置。试验桥跨为钢箱梁拱桥，在主拱、边拱钢箱拱各控制截面顶、底板、腹板布设应变测点，具体应变测点位置如图7所示。

Fi为桥面测点编号；Gi拱圈测点编号图6 挠度测点布置图Fig.6 Arrangements of deflection measuring points

图7 应变测点布置图Fig.7 Arrangements of strain measuring points

3.3 试验加载程序

(1)对加载荷载进行精确称重，或对加载设备和测力计进行校准。

(2)预加载至设计荷载的约30%时，卸除荷载，消除非弹性变形的影响，进行第一次空载读数(应变和挠度)，同时记录该时刻的气温。

(3)正式试验加载荷载按试验方案分级加载。每级加载完成后，记录该时刻的气温并稳定15 min记录，开始试验观测第一次读数，间隔10 min再记录加载的第次读数，两次读数差均小于前次读数增量的10%时，认为结构变形已趋稳定。此时所记录的数据为试验实测数据。

(4)满载完成后一次性卸载，稳定20 min观测应变数据，待应变数据稳定后量测挠度并记录该时刻的气温。

3.4 数据分析

3.4.1 应变分析

主拱拱脚、主拱L/4(L为桥梁跨径)截面、主拱L/2截面在中载模式下的实测应变数据如图8所示。

图8 主拱J1～J4截面实测应变Fig.8 Measured strains on Sections J1～J4 of the main arch

可以看出，随着各级荷载的加载，各测点应变数据呈现出规律性变化，其变化方向、变化趋势与计算值完全一致，且实测应变均小于计算值。

各控制截面的应变校验系数及相对残余应变如表3所示，从表3中可知各控制截面的应变校验系数介于0.51～0.76，相对残余应变校验系数未超过规范[19]规定的限值1.0，表明桥梁结构强度具有较高的富余量，结构实际工作性能良好。卸载后的最大残余应变最大为12%，未超过规范20%的限值，说明实验过程中结构处于弹性工作状态，试验结果可靠。

3.4.2 吊杆索力实测

工况C14、C15实测了使主拱拱顶产生最大正弯矩时的吊杆索力，如图9所示。试验工况下，江岸侧10#吊杆的实测索力值最大，其值为1 707 kN，该吊杆设计最大索力为2 080 kN，可见，吊杆强度具有明显富余。

表3 应变校验系数及相对残余应变Table 3 Strain check coefficients and relative residua strains

图9 吊杆实测索力Fig.9 Measured cable force of hanger rods

3.4.3 挠度分析

图10为横桥向中载下桥梁主跨的挠度实测数据，可见各测点挠度线形与理论计算符合较好，中载布置时下游挠度与上游有偏差但差值很小，各工况挠度实测值均小于计算值。对所有测点的挠度数据分析(表4)表明，挠度校验系数介于0.48～0.59，小于规范限值1.0；相对残余挠度最大值为6.77%，小于规范限值20%。因此可以认为桥梁结构具有良好的刚度。

3.4.4 主拱拱座最大水平位移

C13工况为江岸侧主拱拱座最大水平位移工况，实测总位移为0.25 mm，卸载后残余变形为0.01，拱座弹性水平变位小于计算值0.44 mm。

图10 主跨桥面实测挠度Fig.10 Measured deflections of main span deck

表4 挠度校验系数及相对残余变形Table 4 Deflection check coefficients and relative residua deformations

4 动载试验

4.1 试验内容

动载试验拟通过脉动试验、行车试验、跳车试验和制动试验测定桥梁作为一个整体结构在动力荷载作用下的受迫振动特性和结构的自振特性，以评价桥梁的最大动力响应，分析结构有无较大缺陷。动载试验采用一台重量约为320 kN的汽车，按如下4种工况进行。

(1)在桥面上，汽车分别以10、20、30 km/h的行驶速度进行跑车使桥梁产生受迫振动，测量桥梁的振动频率和振幅。

(2)在桥面上，汽车以20 km/h的行驶速度进行跑车，在跨中紧急刹车使桥梁产生受迫振动，测量桥梁的振动频率和振幅。

(3)试验跨的跨中位置，汽车从约15 cm高的垫木上后轮自由下落对桥梁进行的激励振动，测量桥梁的固有振动频率和阻尼。

(4)在桥梁无车辆通行时，桥梁受环境自然激励，测量桥梁的固有振动颊率。

4.2 试验方法

试验时，桥上的振动信号由布设的传感器予以测量，通过导线连接，将振动信号经过滤波器、放大器和积分器送至数据采集器，并由计算机进行数据采集和记录，然后再通过专用分析软件进行分析，得到桥梁的固有频率、阻尼和振幅。

4.3 试验结果与分析

4.3.1 脉动试验

桥面测点加速度自谱图如图11所示，将实测频率与计算频率结果列于表5，可见实测频率与计算频率吻合较好，且实测频率高于计算频率。

脉动试验结果表明：整桥横向自振频率第一阶 0.98 Hz，第二阶1.76 Hz；竖向自振频率第一阶1.17 Hz，第二阶2.15 Hz；实测横向和竖向自振频率均高于理论计算频率。

图11 实测桥面加速图谱Fig.11 Measured acceleration spectrum curves of deck vibration

表5 桥梁自振频率结果Table 5 Results of natural vibration frequency

4.3.2 跳车试验、跑车试验及刹车试验

跳车试验体现了垂向激励引起桥梁的强迫振动效应的衰减过程。跑车试验主要测试桥梁结构在移动车辆荷载的作用下产生的受迫振动响应。刹车试验主要测试桥梁结构在刹车作用下产生的受迫振动响应。实测结果如表6所示。

表6 动载试验结果汇总表Table 6 Summary of dynamic load test results

上述结果表明：①在跳车试验荷载作用下，实测阻尼比平均约为0.036，在刹车试验荷载作用下，实测阻尼比平均约为0.012；②在跑车、跳车、刹车荷载作用下，结构各部分反应平稳，无异常现象发生，结构动力性能正常。

5 结论

(1)静载试验荷载作用下，实测最大挠度和应变值均小于理论计算值，且实测残余挠度和应变值均比较小，结构校验系数和相对残余均满足《城市桥梁检测与评定技术规范》的相关要求，实测吊杆索力和拱座水平变位均具有高的富余量，表明桥梁结构工作状态良好，其承载能力满足桥梁设计荷载的正常使用要求。

(2)动载试验实测自振频率高于计算频率，实测竖向一阶自振频率1.17 Hz；实测阻尼比小于5%；实测冲击增大系数为1.176～1.371。结构各项性能指标达到设计预期。

(3)建议加强桥梁结构的日常预防性养护工作，需加强对桥梁结构的观测，发现问题及时处理，确保桥梁结构的安全性和耐久性。