黃志忠

（郴州市華科建設(shè)工程檢測有限公司，湖南 郴州 423000）

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在 19世紀末即被應(yīng)用于承壓柱中，是將混凝土澆筑進鋼管內(nèi)部的一種結(jié)構(gòu)，在鋼管的約束下，內(nèi)部混凝土處于三向受力狀態(tài)，混凝土和鋼材的性能相互結(jié)合。21世紀初，我國建成了以巫山長江大橋、茅草街大橋為代表的一批特大跨徑鋼管混凝土拱橋[1,2]。本文的試驗對象為一座中承式鋼管混凝土組合拱橋，是一座專用觀光橋，在橋梁設(shè)計中充分考慮了橋梁的美觀性，在主梁和主拱圈之間設(shè)有吊桿，但未設(shè)置立柱，這種奇異結(jié)構(gòu)的力學性能值得進一步研究。本文基于主橋部分的靜載和動力特性試驗結(jié)果[3]，驗證了該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的合理性，并將理論值與實際值進行了比較分析。

1 工程概況

某中承式鋼管混凝土組合拱橋主橋部分全長200m，位于半徑R=400m的圓曲線上，跨徑組成為（2×30+80+2×30）m，主跨為80m鋼管混凝土組合拱橋，橋?qū)?9.5m，橫斷面組成為：2.25m（人行道）+2.5m（非機動車道）+0.25m（安全距離）+2×3.5m（車行道）+5.5m（中央分隔帶或拱腳、吊桿區(qū)）+2×3.5m（車行道）+0.25m（安全距離）+2.5m（非機動車道）+2.25m（人行道）。主梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，單箱8室截面。在主拱與鋼箱梁、斜腿與鋼箱梁結(jié)合處，設(shè)置鋼-混結(jié)合段。在斜腿主拱結(jié)合段長6m，寬22.5m，全橋共兩處；斜腿結(jié)合段長4m，寬22.5m，全橋共兩處。拱肋共有三片，中間為主拱，采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。主拱肋跨徑為80m，直徑為1.5m，橋面以上高13.7m，橋面以下高8.0m，矢跨比為1/3.687。橋梁結(jié)構(gòu)和截面、吊桿編號如圖 1所示。吊桿采用OVMGJ15-15型，破斷索力為3906kN。吊桿間距為4.0m，全橋共設(shè)置15根吊桿。下部結(jié)構(gòu)采用群樁基礎(chǔ)，樁徑1.5m。設(shè)計荷載為：公路-I級，人群荷載3.5kN/m2。

對比普通的鋼管混凝土拱橋，該橋在結(jié)構(gòu)設(shè)計上有許多創(chuàng)新的地方，創(chuàng)新之一表現(xiàn)在該橋的四處鋼-混組合段，創(chuàng)新之二表現(xiàn)在該橋橋面板以下部分未設(shè)置立柱，這種結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新對結(jié)構(gòu)受力的影響尚缺實測數(shù)據(jù)支撐。本文以該橋的靜力測試和動力特性試驗為基礎(chǔ)，對該橋的實際工作狀態(tài)、承載能力進行了探討。

2 靜力測試

2.1 概述

通過應(yīng)變測試、撓度測試和索力測試，可以驗證橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，了解橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)，判斷實際承載能力，評價其在設(shè)計使用荷載下的工作性能。

2.2 靜力測試工況及車輛布置

根據(jù)設(shè)計圖紙，使用midas Civil軟件對該橋進行了全面的結(jié)構(gòu)分析計算，按試驗荷載效應(yīng)與設(shè)計荷載效應(yīng)等效的原則，對各測試截面活載內(nèi)力進行計算分析，確定靜載試驗時荷載的大小[4-6]。結(jié)構(gòu)有限元計算模型如圖2所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 結(jié)構(gòu)有限元計算模型

本橋靜力荷載試驗共擬定了9個試驗工況，分別為：工況I：B截面最大正彎矩；工況II：C截面最大負彎矩；工況III：F截面最大正彎矩；工況IV：S截面最大負彎矩；工況V：G截面最大正彎矩；工況 VI：H截面最大正彎矩；工況VII：Q截面最大正彎矩；工況VIII：T截面最大負彎矩；工況IX：第63跨跨中截面吊桿最大索力。在工況布置中，為充分驗證該橋無立柱段的合理性，在該節(jié)段布置了較多測點。靜載試驗時用汽車車輛直接加載，經(jīng)計算，靜載試驗需要裝載后總軸重為380kN的加載車8臺。

確定靜力荷載試驗各測試工況的荷載大小和加載位置時，采用靜力荷載試驗效率ηq進行控制。ηq宜介于0.95～1.05之間，靜力試驗荷載的效率按式（1）計算，各工況的荷載效率系數(shù)見表1。

式中：Ss—靜力試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或變位的最大計算效應(yīng)值；S—控制荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力或變位的最不利效應(yīng)計算值；μ—按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值（該橋理論計算值μ=0.153）；ηq—靜力試驗荷載效率，應(yīng)介于0.95～1.05之間。由表 1可知，靜載試驗效率介于0.95～1.05之間，符合《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）[7]的要求。

表1 靜載試驗效率系數(shù)表

根據(jù)交通部《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）[7]，對加載試驗的主要測點（即控制測點或加載試驗效率最大部位測點）可按式（2）計算校驗系數(shù)ζ，以表征橋梁變位（應(yīng)變）的程度。

式中：Se—試驗荷載作用下量測的彈性變位（或應(yīng)變）值；Ss—試驗荷載作用下的理論計算變位（或應(yīng)變）值。

2.3 靜力測試結(jié)果

2.3.1 應(yīng)變測試

分別在橋梁以下位置和方向布置應(yīng)變測點：鋼箱梁B、C、F、G、H截面底部，沿橋梁軸線方向；斜腿 S、T截面上緣，沿斜腿軸線方向；鋼管混凝土拱P、Q、R截面下緣，沿拱肋軸線方向。各工況下應(yīng)變理論值與實測值對比及校驗系數(shù)見表2～3。

2.3.2 撓度測試

分別在橋梁以下位置和方向布置撓度測點：鋼箱梁A、B、C、D、F、G、H、I截面對應(yīng)橋面位置；鋼管混凝土拱 P、Q、R截面底部。各工況下?lián)隙壤碚撝蹬c實測值及校驗系數(shù)對比見表2～3。

2.3.3 索力測試

本次索力測試，擬采用振動法進行測試。在工況IX作用下對7#、8#、9#吊桿頻率進行觀測，然后代入式（3）計算吊桿拉力。工況IX作用下各吊桿拉力見表2。

式中：m為單位長度吊桿的質(zhì)量（kg/m）；l為吊桿的長度（m）；fn為吊桿的第n 階固有振動頻率（Hz）；EI為吊桿的剛度（N·m2）。

表2 吊桿拉力

2.4 靜力測試結(jié)果分析

（1）各試驗工況下，各工況下各測點的實測撓度均小于理論撓度，撓度校驗系數(shù)均小于1.0，相對殘余變位均滿足相對殘余變位容許值20%的要求。應(yīng)變校驗系數(shù)均小于1.0，相對殘余應(yīng)變均滿足相對殘余變位容許值20%的要求，該橋具有較大的安全儲備。

（2）各試驗工況下未發(fā)現(xiàn)裂縫，表明該橋結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)強度、剛度均滿足設(shè)計規(guī)范要求。

（3）工況IX作用下，7#、8#、9#吊桿拉力偏差在-0.7%～+2.7%之間，吊桿拉力增量與理論計算值基本吻合。

表3 各工況下主梁各測點撓度和應(yīng)變理論值與實測值對比

表4 各工況下主拱圈各測點撓度和應(yīng)變理論值與實測值對比

3 動力特性測試

橋梁的動力特性可以反映橋梁的整體質(zhì)量情況、橋面的平整程度和耗散能力的能力，是判斷橋梁結(jié)構(gòu)承載特性和運營狀況的重要指標。

3.1 測試系統(tǒng)與測點布置

本試驗測試系統(tǒng)為：拾振器→電荷放大器→數(shù)據(jù)采集分析儀→數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)→筆記本電腦。脈動試驗時，拾振器分別布置在A～O截面；跑車、跳車試驗時，拾振器布置在B、H截面；跑車、跳車試驗時，在B、H截面布置動位移計。

3.2 模態(tài)分析

該橋自振頻率理論值與實測值的對比見圖4。理論一階、二階振型與實測一階、二階振型基本吻合，一階、二階頻率實測值均大于理論計算值，表明該主橋結(jié)構(gòu)的整體剛度優(yōu)于設(shè)計值。

表5 自振頻率理論值與實測值對比

3.3 車振分析

3.3.1 跳車試驗

第1跨跳車試驗時加速度時程曲線及頻譜見圖3（a），跳車試驗實測阻尼比為2.643%，實測頻率為 3.157Hz；第3跨跳車試驗時加速度時程曲線及頻譜見圖 3（b），跳車試驗實測阻尼比為3.119%，實測頻率為2.657Hz。

圖3 第1、3跨跳車試驗加速度時程曲線及頻譜

3.3.2 跑車試驗

以20km/h、30km/h、40km/h車速對第一跨、第三跨進行跑車試驗時，實測動力系數(shù)分別為1.222、1.146、1.187；1.129、1.192、1.362。實測40km/h動位移分析的動力系數(shù)波形分析見圖4。

圖4 實測第一、二跨40km/h沖擊系數(shù)波形分析圖

3.4 動力特性測試結(jié)果分析

（1）理論振型與實測振型基本吻合，頻率實測值大于理論計算值，表明該橋結(jié)構(gòu)的整體剛度較好，有較強的耐沖擊性。

（2）跳車試驗結(jié)果表明橋梁具備一定的能量耗散性能。

（3）跑車試驗荷載作用時，動力系數(shù)在1.192～1.362之間，表明試驗跨結(jié)構(gòu)反應(yīng)平穩(wěn)，無異?，F(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)論

通過該橋的靜載試驗、動力特性測試和理論分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）該橋在設(shè)計荷載（公路-I級，人群3.5kN/m2）作用下，結(jié)構(gòu)剛度和強度符合受力性能要求，說明處于彈性工作狀態(tài)，整體結(jié)構(gòu)安全，有較大的安全儲備。

（2）該中承式鋼管混凝土組合拱橋設(shè)計新穎，采用了新的鋼管混凝土組合拱，不僅結(jié)構(gòu)優(yōu)美，且受力性能良好。此次試驗成果可以為同類橋梁的設(shè)計和計算提供參考依據(jù)。

[1]張輝.中承式鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)體系與力學性能研究[D].湖南大學, 2007.

[2]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].科學出版社, 2000.

[3]張俊平, 周建賓.橋梁檢測與維修加固[M].北京：人民交通出版社, 2006.

[4]JTG D60-2004, 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[5]JTG D62-2004, 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[6]JTG B01-2003, 公路工程技術(shù)標準[S].

[7]JTG/TJ21-2011, 公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].