卜志鵬

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

由于建造橋梁的材料性能、結(jié)構(gòu)效應(yīng)等影響，使得實(shí)橋結(jié)構(gòu)的各關(guān)鍵參量與理論結(jié)算結(jié)果存在較大差異，為研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營荷載作用下結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，荷載試驗(yàn)[1]作為最直接的測試方法被廣泛應(yīng)用.荷載試驗(yàn)是通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)直接加載，并進(jìn)行實(shí)時(shí)測試與分析，獲得實(shí)際結(jié)構(gòu)的特征效應(yīng)值及關(guān)鍵參量，將其評(píng)價(jià)結(jié)果作為實(shí)橋結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)和判定主要依據(jù).

文獻(xiàn)[2-5]對(duì)不同跨度、不同形式的系桿拱橋的成橋進(jìn)行了荷載試驗(yàn)分析和研究，但是針對(duì)大跨度單跨鋼管混凝土系桿拱橋的研究相對(duì)較少.本文以1座主跨跨徑128m的CFST系桿拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，進(jìn)行了實(shí)橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究，旨在檢驗(yàn)該新建橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量，確定其工程可靠性.此外，通過對(duì)比靜動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果，為對(duì)橋梁有限元分析模型修正提供可靠的靜動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù).

1 工程概況

跨黃延高速大橋是包西鐵路跨越黃陵至延安的重要鐵路工程，主橋位于線路平均縱坡為7.73‰的坡道上，按照正拱斜置設(shè)計(jì).主橋上部結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土系桿拱，拱軸線方程為:Y=0.8X-0.006 25 X2，矢跨比 f/L=1/5.橫橋方向設(shè)置兩道拱肋，拱肋中心間距13.05 m.拱肋截面為外徑130 cm，壁厚26 mm的鋼管混凝土啞鈴型截面，拱肋截面高 3.5 m，上下弦管中心距 2.2 m.拱肋上下弦管間綴板厚 26 mm，綴板間距70 cm，綴板間除拱腳面以外6 m范圍及吊桿縱向1.5 m范圍灌注混凝土外其余均不灌注混凝土.拱肋間共設(shè)7道一字型橫撐和2組K形對(duì)角撐，各橫撐和對(duì)角撐均為空鋼管組成的桁式結(jié)構(gòu).橫撐上、下弦管外徑850 mm，壁厚16 mm；K形對(duì)角撐上、下弦管外徑600 mm，壁厚12 mm.橫撐和K形角撐之間的腹桿分別采用外徑500 mm，壁厚10 mm和外徑400 mm，壁厚8 mm的鋼管連接.兩片拱肋共設(shè)17對(duì)吊桿，吊桿中心間距6.25 m，每處吊桿均由雙根73絲φ7 mm的平行鋼絲束組成.主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱三室簡支箱梁，全長 131 m.主梁頂板寬16.35 m，底板寬13.69 m，梁高3.0 m.該鐵路大橋拱肋內(nèi)填混凝土和主梁混凝土等級(jí)均為 C55，鋼管材料等級(jí)為 Q345qE，吊桿材料是抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 570 MPa的光面鋼絲.鐵路橋面布置為雙線，鐵路等級(jí)為國鐵Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)荷載為中-活載，設(shè)計(jì)行車速度200 km/h，地震動(dòng)峰值加速度0.05 g.橋梁結(jié)構(gòu)立面圖如圖1所示，其中A-A～G-G為測試截面.

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)立面圖 (單位: cm)Fig.1 Bridge structure elevation (unit: cm)

2 有限元模型建立及靜動(dòng)載試驗(yàn)方案

2.1 有限元模型建立

為模擬大跨度CFST系桿拱橋在靜動(dòng)載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，全面綜合評(píng)價(jià)該類橋梁結(jié)構(gòu)的靜力及動(dòng)力性能，利用大型通用有限元軟件ANSYS建立主橋空間計(jì)算模型.由于試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)各構(gòu)件常處于彈性工作狀態(tài)，為便于分析，將主拱拱肋、橫撐和主梁均簡化為空間梁單元，忽略鋼管與內(nèi)填混凝土的粘結(jié)滑移效應(yīng)，采用BEAM188單元進(jìn)行模擬.拱肋單元截面采用強(qiáng)度和截面特性等效的啞鈴型混凝土截面，主梁截面為實(shí)際的單箱三室截面，混凝土彈性模量 Ec=3.55×104MPa，泊松比v=0.2，密度ρ=2 600 kg/m3；通過對(duì)吊桿鋼束進(jìn)行等效強(qiáng)度換算，采用LINK10桿單元進(jìn)行模擬分析，鋼束彈性模量Es=2.05×105MPa，泊松比v=0.3，密度ρ=7 800 kg/m3.為考慮節(jié)點(diǎn)剛域效應(yīng)，將拱肋與橫撐間的連接用剛性連接模擬，吊桿與拱肋和吊桿與主梁間的連接用彈性連接模擬.由于拱腳與主梁連接處剛度較大，應(yīng)力分布均勻，因而可通過局部增大單元?jiǎng)偠确椒▉砟M拱座處單元的連接.下承式系桿拱橋在拱腳與主梁的連接為設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，為避免在該處出現(xiàn)破壞薄弱點(diǎn)，通常會(huì)加強(qiáng)處理，因而在分析中可通過將拱座處拱肋單元和主梁單元的剛度提高3～5個(gè)數(shù)量級(jí)用以考慮局部剛性區(qū)域效果，忽略結(jié)構(gòu)在該處變形和內(nèi)力分布的影響.結(jié)合原橋結(jié)構(gòu)支座設(shè)置，在包頭側(cè)設(shè)置固定鉸支座，西安側(cè)設(shè)置沿縱橋向的可動(dòng)支座，用以模擬系桿拱橋?yàn)楹喼ЫY(jié)構(gòu)的力學(xué)模型.全橋共劃分為945個(gè)單元，3024個(gè)節(jié)點(diǎn).圖2為ANSYS有限元分析模型.

圖2主橋有限元模型Fig.2 Finite element model of the main bridge

2.2 靜載試驗(yàn)方案

（1）荷載工況根據(jù)下承式系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合有限元靜力分析結(jié)果，為便于靜載試驗(yàn)的順利進(jìn)行，取主橋西安端半橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力加載.靜載試驗(yàn)包括偏載加載和正載加載；各加載工況，先進(jìn)行偏載試驗(yàn)，再進(jìn)行正載試驗(yàn).以DF8B機(jī)車牽引C70貨車作為荷載實(shí)體對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載.主橋靜載試驗(yàn)工況如表1所示.

（2）測點(diǎn)布置及測試

測試項(xiàng)目及測點(diǎn)位置如下：主拱拱肋L/4、L/2、3L/4附近吊桿處以及主梁L/4、L/2及3L/4附近各布置 2個(gè)撓度測點(diǎn)，上下游側(cè)對(duì)稱布置，共計(jì) 12個(gè)測點(diǎn).A-A～C-C單側(cè)拱肋每個(gè)截面頂部和底部處各布置2個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，側(cè)面頂部下65 cm和底部上65 cm處各布置2個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，兩側(cè)拱肋應(yīng)變測點(diǎn)對(duì)稱布置，單側(cè)拱肋共計(jì)24個(gè)測點(diǎn)；D-D截面及E-E截面頂板下緣各布置6個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，底板上緣各布置6個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，共計(jì)24個(gè)測點(diǎn).全橋共計(jì)72個(gè)應(yīng)變測點(diǎn).

表1 靜載試驗(yàn)工況Tab.1 Conditions of the static loading test

2.3 動(dòng)載試驗(yàn)方案

（1）荷載工況

動(dòng)載試驗(yàn)主要針對(duì)靜載試驗(yàn)選取的半橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行，工況選取截面 B-B、C-C、E-E進(jìn)行.動(dòng)載試驗(yàn)主要包括脈動(dòng)試驗(yàn)、行車試驗(yàn)和制動(dòng)試驗(yàn).行車試驗(yàn)時(shí)按20、40、60、80 km/h的速度工況進(jìn)行，制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)按40、50、60 km/h的速度工況進(jìn)行.

（2）測點(diǎn)布置及測試

測點(diǎn)布設(shè)位置及測試項(xiàng)目如下：B-B和C-C各截面頂部和底部各布置1個(gè)動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)；E-E截面頂板下緣布置2個(gè)動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)，底板上緣布置2個(gè)動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn).全橋共布設(shè)動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)12個(gè).

3 靜載試驗(yàn)及有限元結(jié)果分析

3.1 靜載作用下結(jié)構(gòu)撓度分析

根據(jù)預(yù)定靜載試驗(yàn)荷載工況，分析各撓度測點(diǎn)數(shù)據(jù).圖 3給出了工況Ⅰ狀態(tài)下各測點(diǎn)撓度及吊桿伸長量實(shí)測值及有限元計(jì)算值，撓度數(shù)據(jù)向下為負(fù).

由圖3可知，各測點(diǎn)實(shí)測結(jié)果略小于有限元計(jì)算結(jié)果，這主要是由于有限元方法的系統(tǒng)誤差造成，有限元計(jì)算結(jié)果偏于安全，計(jì)算結(jié)果有效.對(duì)各靜載工況作用下橋梁結(jié)構(gòu)測點(diǎn)結(jié)果分析表明：橋跨結(jié)構(gòu)撓度的實(shí)測值與有限元計(jì)算值校驗(yàn)系數(shù)為0.52～0.91，吊桿伸長量校驗(yàn)系數(shù)0.70～0.91，符合規(guī)范[6]限值要求，表明橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度.

圖3測點(diǎn)撓度實(shí)測值與計(jì)算值Fig.3 Measured and calculated values of deflection

3.2 靜載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

根據(jù)應(yīng)變測點(diǎn)布設(shè)，將測試得到的應(yīng)變換算為應(yīng)力，以結(jié)構(gòu)最不利承載狀況的靜載工況Ⅰ，Ⅳ為例，試驗(yàn)截面部分測點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果如表2所示.

分析各測點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果可知，測點(diǎn)應(yīng)力較小，橋梁結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度．此外，橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值吻合較好，結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)介于0.60～0.90之間，滿足規(guī)范[6]限值要求.

表2 應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值Tab.2 Measuredand calculated values of the stress

4 動(dòng)載試驗(yàn)及有限元結(jié)果分析

4.1 結(jié)構(gòu)自振特性結(jié)果

主橋自振特性測試及有限元計(jì)算結(jié)果如表3所示.從實(shí)測結(jié)果可以看出：

（1）主拱橫向基頻0.830 Hz大于規(guī)范[1]中規(guī)定簡支梁基頻的限定[f]=90/L=0.703 Hz，實(shí)測橫向基頻大于規(guī)范規(guī)定值，表明該橋梁結(jié)構(gòu)橫橋向剛度較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好.

（2）頻率計(jì)算值與實(shí)測值較吻合，且實(shí)測值均大于計(jì)算值，表明有限元計(jì)算結(jié)果偏于安全.實(shí)橋結(jié)構(gòu)阻尼比的實(shí)測值介于0.023～0.059，符合橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)際情況.

表3自振特性測試結(jié)果Tab.3 Test results of the vibration characteristics

4.2 加速度響應(yīng)分析

通過對(duì)對(duì)動(dòng)載作用下結(jié)構(gòu)測試點(diǎn)加速度響應(yīng)結(jié)果分析知，1#墩制動(dòng)激振類型引起的結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)較大，對(duì)比各測點(diǎn)測試結(jié)果以E-E截面加速度響應(yīng)最大，圖4給出了主梁E-E截面處的豎向和橫向加速度正、負(fù)響應(yīng)峰值.由圖4可知：

(1)E-E截面下行線附近處橋面豎向加速度響應(yīng)介于-1.26～1.11m/s2，橫向加速度響應(yīng)介于-0.39～0.41m/s2；

(2)結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)峰值隨機(jī)車制動(dòng)速度的增大而減小，制動(dòng)速度在40 km/h時(shí)橋跨結(jié)構(gòu)橫向加速度響應(yīng)在跨行總橋面處達(dá)到最大值0.41 m/s2，該響應(yīng)小于規(guī)范[1]中規(guī)定的橫向加速度限值1.4 m/s2，表明橋跨結(jié)構(gòu)橫向動(dòng)力性能良好.

圖4E-E截面實(shí)測加速度Fig.4 Measured acceleration at E-E cross section

4.3 振幅測試結(jié)果分析

通過對(duì)主橋各測點(diǎn)振幅測試結(jié)果分析，D-D截面處豎向振幅和E-E截面處橫向振幅相對(duì)較大，圖5給出了該兩測點(diǎn)處豎向和橫向的振幅幅值.

根據(jù)規(guī)范[1]，參照預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，橋梁E-E截面橫向最大振幅應(yīng)滿足：Amax≤L/9 000=14.22 mm，其中L=128 m為橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算跨徑.實(shí)測E-E截面橫向最大振幅為0.41 mm，小于規(guī)定限值，滿足規(guī)范要求.橋梁墩頂橫向振幅通常值應(yīng)滿足：當(dāng)車速≤60 km/h時(shí)，Amax≤H/30+0.2=0.57 mm；當(dāng)車速＞60 km/h時(shí)，Amax≤H/25+0.4=0.84 mm；其中H=11 m為墩高.經(jīng)檢算，不同時(shí)速下的橋梁墩頂橫向振幅滿足檢定規(guī)范要求.

圖5 E-E截面振幅及D-D截面橫向振幅Fig.5 E-E vertical amplitude and D-D horizontal amplitude

4.4 脫軌系數(shù)及應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)結(jié)果分析

通過對(duì)各動(dòng)載工況作用下鋼軌脫軌系數(shù)進(jìn)行測試，結(jié)果表明：不同車速和激振工況下機(jī)車作用的脫軌系數(shù)為0.07～0.15，貨車作用的脫軌系數(shù)范圍0.05～0.18.結(jié)合規(guī)范[7]規(guī)定的脫軌系數(shù)限值，該橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)測脫軌系數(shù)遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定限值 0.8，滿足行車安全性要求.

根據(jù)動(dòng)載工況作用下各應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測結(jié)果分析知，主拱拱肋 L/4截面各測點(diǎn)應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)為1.01～1.14；C-C截面各測點(diǎn)應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)為1.01～1.09；E-E截面各測點(diǎn)應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)為1.01～1.17.此外，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)分析得到在制動(dòng)速度為50 km/h的動(dòng)載作用時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)E-E截面的沖擊系數(shù)達(dá)到最大值 1.17，實(shí)測應(yīng)變沖擊系數(shù)較大，表明行車制動(dòng)對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用較明顯.

5 結(jié)論

本文對(duì)包西鐵路跨黃延高速公路單跨128 m的CFST系桿拱橋制定和實(shí)施荷載效率為0.58～0.74的靜動(dòng)載試驗(yàn)，測試并研究了橋跨結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)，通過與ANSYS有限元分析結(jié)果對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1）靜載工況下，結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均處于合理范圍，表明該橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和強(qiáng)度，滿足橋梁設(shè)計(jì)要求.

（2）動(dòng)載作用下的測試結(jié)果表明，大跨度CFST系桿拱橋橫向剛度較好；機(jī)車制動(dòng)對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的制動(dòng)作用明顯；橋跨結(jié)構(gòu)跨中最大振幅和脫軌系數(shù)均小于規(guī)范規(guī)定，滿足規(guī)范變形要求和行車安全性要求；橋梁墩頂橫向振幅最大值滿足規(guī)范要求.

（3）結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵參量的有限元計(jì)算值與荷載試驗(yàn)實(shí)測值吻合較好，有限元分析方法能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)靜力和動(dòng)力性能.

綜上所述，跨黃延高速公路單跨 180m CFST系桿拱橋具有足夠的強(qiáng)度和剛度，動(dòng)力性能良好，能夠滿足設(shè)計(jì)的荷載等級(jí)和運(yùn)營要求；有限元計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)實(shí)測結(jié)果較吻合，可利用有限元分析方法反映橋跨結(jié)構(gòu)的靜力及動(dòng)力性能.

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