大跨径中承式钢管砼拱桥荷载试验分析

郑凯

(佛山市公路桥梁工程监测站有限公司， 广东 佛山 528041)

1 工程概况

某桥梁全长近750 m，主桥为三孔(50+280+50) m中承式钢管砼系杆拱桥。桥面全宽按双向八车道外加人行道设计，横桥向为上下行分离完全独立且对称的左、右两幅桥，每幅桥面宽26.1 m，由4.8 m人行道+0.5 m防撞护栏+15.5 m行车道+0.5 m防撞护栏+4.8 m过桥水管和检修道组成。设计荷载为汽-超20、人群3.5 kN/m2。主拱墩顶间跨度280 m，计算跨径271.5 m，计算矢高54.3 m，计算矢跨比1/5，拱轴线采用悬链线，拱轴系数1.5，预拱度在拱顶取值0.45 m；边跨计算跨径89.35 m，计算矢高9.1 m，矢跨比1/9.819，拱轴线也采用悬链线，拱轴系数1.9。桥型布置见图1。

图1 某中承式钢管砼系杆拱桥桥型布置(单位：cm)

为保证桥梁运营的可靠性，检验桥梁结构的承载能力及工作性能，对其进行荷载试验。

2 荷载试验方案

2.1 有限元分析

根据该桥受力特点，采用空间杆系有限元程序MIDAS/Civil对结构受力进行分析，计算模型见图2。分别采用梁单元模拟主拱、横梁及墩柱，桁架单元模拟吊杆和系杆，板单元模拟桥面结构，拱肋钢管砼按组合截面考虑，共采用梁单元3 677个、桁架单元192个、板单元1 864个。结构分析包括汽车荷载效应、试验车荷载效应和结构自振特性分析三方面，其中：汽车荷载效应按设计最不利布载进行影响线加载，计算结构控制截面的设计内力值；试验车荷载效应按试验车的实际车重和实际轮位进行布载，计算结构控制截面的试验内力值，确定满足规范要求的试验荷载效率；结构自振特性分析采用子空间迭代法，计算结构前6阶自振频率和振型。

图2 某中承式钢管砼系杆拱桥结构空间模型

2.2 荷载试验内容与工况

静载试验主要从试验荷载下结构构件的局部应变分布和结构整体变形来评定结构的受力性能，试验内容如下：1) 测试边跨拱肋L/2截面、中跨拱肋L/4、L/2和3L/4截面的竖向位移影响线，判断结构整体变形能力是否与设计相符；2) 测试边跨拱肋L/2和拱脚截面，中跨拱肋L/4、L/2、3L/4和拱脚截面在试验荷载作用下的应变分布及拱肋竖向位移，判断结构的局部受力及整体变形状态是否正常；3) 测试吊杆在试验荷载下的索力，并与理论计算结果对比，判断其受力状态及参与结构整体受力的程度。试验工况及荷载效率分别见表1、表2。

表1 静载试验测试内容

表2 静载试验各工况的荷载效率

动载试验通过脉动试验、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，评价结构的现有工作状态。

2.3 测试截面与测点布置

静载试验测点包括应变测点和位移测点。结构应力测试采用振弦式应变计；主跨位移测试采用数字式全站仪，测点布置在主拱肋各八分点；边跨位移测试采用数字式百分表，测点布置在边拱跨中截面处；吊杆索力测试采用索力仪。分别以前缀“S-”、“X-”表示每幅桥上游和下游的测点编号，测试截面与测点布置见图3～5。

图3 测试截面、各测试参数测点布置(单位：cm)

3 静载试验分析

3.1 桥梁整体受力性能影响线测试结果分析

结构影响线测试采用4辆加载车并排在桥面主跨各八分点和边跨各四分点进行加载，测试主跨拱肋L/4、L/2、3L/4截面和边跨拱肋跨中截面的竖向位移，得到梁体实际纵向影响线，了解结构的整体工作状态。各截面结构影响线测试结果见图6。

图4 拱肋挠度测点布置(单位：cm)

图5 动载试验拾振器布置(单位：cm)

图6 各截面影响线测试结果

由图6可知：拱肋各测试截面竖向位移影响线的实测值与理论值走向一致，符合结构变形的几何特点；实测值与理论值基本吻合，实测值小于理论值，体现了在模拟局部受力时数值计算与实际结构受力之间的差异，也说明结构实际刚度可能大于理论计算所采用刚度。主跨拱肋L/2截面影响线关于跨中截面的对称性良好，主跨L/4与3L/4截面、北岸与南岸边跨跨中截面影响线也呈现较好的对称性，说明结构整体受力的纵向对称性良好。

3.2 截面应变测试结果分析

主要对A截面(主跨拱肋L/2截面)测试结果进行分析。该截面测试包括工况2和工况3，分别测试主跨拱肋跨中截面应力、吊杆索力和拱肋变形，主要测点数据见表3。由表3可知：拱肋跨中截面上、下弦杆应变测点实测残余较小，测点相对残余应变均小于10%，满足JTG/T J21-01-2015《公路桥梁荷载试验规程》(以称试验规程)的要求，说明测试截面处于弹性工作状态。

表3 主跨拱肋L/2截面的实测应变

表4为A截面换算内力及相应理论值。由表4可知：拱肋跨中截面上、下弦杆换算弯矩很小，主要承受轴向力，通过弦杆间力矩抵抗外荷载产生的弯矩，与钢管砼拱桥的设计理论相符，也反映了桁架式钢管砼拱桥拱肋的受力特点；从截面整体受力情况来看，主拱肋仍是以受弯为主的压弯构件。弦杆换算内力值基本小于理论值，而全截面换算内力值与理论值有所差异，与拱肋实际刚度及腹杆等局部构造对拱肋上、下弦杆间内力分配的影响有关，体现了结构受力的复杂性。

表4 主跨拱肋L/2截面的换算内力

表5为A截面换算应力。由表5可知：工况2和工况3下拱肋上弦的最大换算平均应力分别为-9.5、-14.0 MPa，应力校验系数分别为0.69、0.73，满足试验规程中钢筋砼拱桥应力校验系数为0.5～0.9的要求。其他工况下各测试截面数据均满足规范要求，在此不再详细分析。

表5 主跨拱肋L/2截面的换算应力

主拱拱肋为四肢矩形格构式截面，每根弦杆为独立的哑铃形，上、下弦杆由竖腹杆和斜腹杆连接共同工作。图7为工况2和工况3下拱肋跨中截面实测应变沿截面高度的分布。由图7可知：每根弦杆的变形呈较好的线性关系；从全截面变形角度来看，测试截面处局部荷载效应明显，桁架式结构由于受弦杆节间局部弯曲的影响，截面变形以弦杆的独立变形为主。

图7 拱肋应变沿截面高度的分布

3.3 截面挠度测试结果分析

工况2和工况3试验荷载作用下拱肋实测变形见表6、图8。由表6、图8可知：实测拱肋竖向变形与理论值吻合良好，反映了结构的变形特点；相对于其他测点，跨中加载截面部分实测值与理论值相差略大，这与在考虑局部受力时理论计算和结构实际受力的差异有关。工况2和工况3下拱肋最大竖向变形均发生在跨中截面，上下游两侧拱肋实测变形平均值分别为15.7、26.0 mm，挠度校验系数分别为0.76、0.88，满足试验规程中挠度校验系数为0.5～1.0的要求。根据工况3下拱肋跨中实测竖向变形推算，使用汽车荷载(不计冲击力)作用下拱肋跨中挠度为25.0 mm，挠跨比=25.0/280=1/11 200<1/1 000，结构刚度满足规范要求。

表6 主跨拱肋L/2截面竖向变形

图8 拱肋实测变形与理论值对比

3.4 吊杆索力测试结果分析

索力测试结果见图9。由图9可知：换算索力与理论索力的分布特点一致，但测试截面附近吊杆换算索力小于理论值，而远离测试截面处的吊杆换算索力比理论值大，说明桥面铺装等参与结构受力，实测吊杆索力的分布比理论值更均匀。工况2和工况3下索力最大值均出现在24#吊杆，其上下游平均实测索力分别为228.1、304.8 kN，理论值分别为328.2、387.7 kN，索力校验系数分别为0.70、0.79，满足试验规程的要求。

图9 吊杆索力分布

4 动载试验分析

结构实测自振频率、理论频率、阻尼比和振型见表7，图10、图11为典型工况下脉动试验频谱分析结果，图12、图13分别为1、2阶理论计算振型与频率。

图13 2阶理论计算振型与频率(结构竖向反对称二次弯曲)

图12 1阶理论计算振型与频率(横向正对称一次弯曲)

图11 桥面跨中上、下游竖向互谱图

从表7、图10～13可以看出：结构第1阶振型为拱助正对称横向变形，基频为0.38 Hz；第2阶自振频率为0.60 Hz，振型以拱肋竖向反对称变形为主；第3阶振型以桥面横向变形为主，自振频率为0.66 Hz；第4阶振型以拱肋竖向正对称变形为主，自振频率为0.97 Hz；第6阶振型以整体扭转为主，自振频率为1.15 Hz。结构实测基频高于理论计算值，说明拱肋实际横向刚度比理论值大；实测竖向振动自振频率高于理论值，说明结构实际竖向刚度比理论值大。

表7 实测自振频率和振型阻尼比

图10 拱顶横向振动测点与参考点的传递函数图

5 结论与建议

(1) 静、动载试验结果反映了中承式钢管砼系杆拱桥在成桥状态的受力特点，实测结果与理论计算结果一致，结构实际受力状态与设计相吻合。

(2) 静载试验荷载作用下结构主要构件受力状态正常，结构横向、纵向受力对称性良好，实测结果均小于理论计算值，应力、变形、索力校验系数均满足试验规程的要求；动载试验结果显示结构自振频率、振型和振型阻尼比等动力特征指标均正常，满足结构正常运营要求。静载和动载试验结果表明结构受力满足汽-超20运营荷载正常使用要求。

(3) 为提高结构的耐久性，建议管养单位加强运营阶段的养护维修，做好主拱等钢结构的防锈、吊杆和桥面的养护等，对结构关键部位进行定期检查、维护和监测，保证桥梁长期安全、可靠地运营。