張煒

1 概述

在系桿拱橋檢測(cè)中，靜載試驗(yàn)是評(píng)定系桿拱橋力學(xué)性的最有效的方法。

2 工程概況

彩虹橋?yàn)殇摴芑炷恋鯒U拱橋，全橋長(zhǎng)50.38m，鋼管拱肋計(jì)算跨徑為38.88m，矢跨比為1/4.5，拱軸線采用二次拋物線。拱軸橫斷面為雙圓加腹板的啞鈴型斷面，橋面總寬為26.4m，設(shè)計(jì)荷載為：城-B級(jí)車輛荷載，按汽車-20級(jí)，掛車-100級(jí)校核。

3 結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

系桿拱橋是由拱肋、系桿、橫梁及橋面板組成的空間受力體系，系桿拱橋在外荷載作用下，主要受主拱圈軸力和彎矩、系桿及橫梁彎矩及剪力，因此這些是橋梁荷載試驗(yàn)中的主要控制截面。由于系桿拱橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要各構(gòu)件協(xié)同作用，因此為有效的分析結(jié)構(gòu)受力，本橋采用Midas Civil空間桿系模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算、活載效應(yīng)計(jì)算及相應(yīng)的加載效率計(jì)算。模型共計(jì)1237個(gè)節(jié)點(diǎn)和5387個(gè)單元。

4 靜載試驗(yàn)分析

4.1 測(cè)試斷面的確定

為有測(cè)試各構(gòu)件的性能，彩虹橋靜載試驗(yàn)試驗(yàn)測(cè)試跨、測(cè)試截面編號(hào)及各控制截面測(cè)試內(nèi)容為橋梁中心截面。

4.2 彩虹橋測(cè)點(diǎn)布設(shè)

（1）撓度測(cè)點(diǎn)：在左側(cè)和右側(cè)縱梁與橫梁連接處各布置1個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)；在4#中橫梁跨中和四分點(diǎn)位置各布置1個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)。

（2）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)：在每個(gè)縱梁和橫梁連接位置布置1個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)為順橋向；4#中橫梁底面布置多個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，并在中間位置處腹板布置4個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，方向垂直于順橋向；在右兩側(cè)拱肋在跨中處布置8個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，方向平行于拱軸線方向。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖1圖2所示。

圖1 中橫梁應(yīng)變和撓度測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4.3 加載車輛選擇和荷載試驗(yàn)效率

4.3.1 加載車輛的選擇

圖2 拱肋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖

彩虹橋荷載試驗(yàn)采用4輛單輛車總荷載為300kN和2輛單輛車總荷載為360kN的三軸重載汽車進(jìn)行加載。

4.3.2 靜力試驗(yàn)荷載確定原則

就某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目而言，其所需加載車輛的數(shù)量，將根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的該加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的控制截面內(nèi)力最不利效應(yīng)值，按下式所確定的原則等效換算而得?！豆窐蛄撼休d能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）規(guī)定：

式中：η——靜力試驗(yàn)荷載效率；

Sstate——靜載試驗(yàn)荷載作用下，控制截面內(nèi)力計(jì)算效應(yīng)值；

S——控制荷載作用下，控制截面最不利內(nèi)力或變位計(jì)算值；

μ——計(jì)算取用的沖擊系數(shù)。

4.3.3 彩虹試驗(yàn)荷載效率及加載車輛數(shù)

在成橋狀態(tài)下，彩虹橋靜荷載試驗(yàn)的荷載效率在0.965～1.034之間，滿足“評(píng)定規(guī)程”的規(guī)定，詳見(jiàn)如下。

工況一理論計(jì)算值1075.7試驗(yàn)計(jì)算值1032.7荷載效率0.96加載車輛4輛；工況二理論計(jì)算值85.2試驗(yàn)計(jì)算值90.3荷載效率1.06加載車輛4輛；工況三理論計(jì)算值64.3試驗(yàn)計(jì)算值62.0荷載效率0.96加載車輛4輛；工況四理論計(jì)算值560.5試驗(yàn)計(jì)算值566.1荷載效率1.01加載車輛2輛。

工況一為縱梁梁最大彎矩、撓度；工況二為吊桿最大軸力；工況三為拱肋最大彎矩；工況四為橫梁最大彎矩和撓度。

4.4 車輛荷載布置

荷載試驗(yàn)車輛加載要盡可能用最少的加載車輛達(dá)到最大的荷載效率，在滿足試驗(yàn)荷載效率以及能夠達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康牡那疤嵯拢虞d工況應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)化、合并，以盡量減少加載位置；每一加載工況依據(jù)某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目為主，兼顧其他加載試驗(yàn)項(xiàng)目。

4.5 靜載荷載試驗(yàn)結(jié)果

4.5.1 工況一試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)J1截面縱梁最大彎矩和撓度（工況一）加載試驗(yàn)，J1測(cè)試截面縱梁應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如表1所列；縱梁撓度測(cè)試結(jié)果如所列，撓度實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的對(duì)比曲線如表2所示。

表1 工況一作用下縱梁應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析表（單位：με）

表2 工況一作用下縱梁撓度測(cè)試結(jié)果分析表（單位：mm）

4.5.2 工況二試驗(yàn)結(jié)果

吊桿索力測(cè)試原理是利用吊桿所處環(huán)境對(duì)吊桿隨機(jī)振動(dòng)，在吊桿上附著著高靈敏度拾振傳感器，拾取吊桿在環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大、譜分析。然后根據(jù)自振頻率與索力的關(guān)系確定實(shí)際索力。本試驗(yàn)索力測(cè)試僅測(cè)試J1截面吊桿最大陰歷控制荷載作用下的右側(cè)3-1#、3-2#、4-1#、4-2#、5-1#、5-2# 索的索力，索力測(cè)試結(jié)果如表 3 所示。

表3 工況二作用下測(cè)試索的索力分析結(jié)果表（單位：kN）

4.5.3 工況三試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)J1截面拱肋應(yīng)變加載試驗(yàn)（工況三），J1測(cè)試截面拱肋應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析如表4所列。

表4 工況三作用下拱肋應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析表（單位：με）

4.5.4 工況四試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)J1截面橫梁最大撓度加載試驗(yàn)（工況四），J1測(cè)試截面橫梁撓度測(cè)試結(jié)果分析如所列，滿載作用下?lián)隙葘?shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比曲線圖如表5所示。

表5 工況四作用下縱梁撓度測(cè)試結(jié)果分析表（單位：mm）

4.6 數(shù)據(jù)分析與評(píng)定

結(jié)構(gòu)應(yīng)變和撓度校驗(yàn)系數(shù)是評(píng)定結(jié)構(gòu)工作狀況、確定橋梁承載能力的一個(gè)重要指標(biāo)，其中校驗(yàn)系數(shù)越小，結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備越大。試驗(yàn)橋在試驗(yàn)加載作用下，各構(gòu)件撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.55～0.70之間，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.57～0.76之間，說(shuō)明滿足正常使用下的橋梁強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該系桿拱橋的結(jié)構(gòu)分析，優(yōu)化選擇了各試驗(yàn)工況車輛布載的最優(yōu)布載方法，以最少的加載車輛滿足荷載試驗(yàn)加載效率的要求，以最少的加載次數(shù)測(cè)試完所有試驗(yàn)工況。本文通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)的撓度及應(yīng)變值與理論計(jì)算值的對(duì)比分析，確定結(jié)構(gòu)的校驗(yàn)系數(shù)，進(jìn)而評(píng)定該橋梁的工作狀態(tài)。靜載試驗(yàn)是評(píng)定系桿拱橋力學(xué)性能是否滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求最有效的方法。