李 燦

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

提籃拱橋不是橋梁形式的定義，而是把系桿拱橋中主拱圈橫向內(nèi)傾，并以橫梁連接橋身，側(cè)面酷似提籃提手的下承式拱橋的稱呼。其特點(diǎn)是拱的矢高很大，可以有效地利用拱的特性向基礎(chǔ)分散拱的內(nèi)力，主體基本上不承受彎矩和剪力[1]。從受力上劃分，可以分為3種：主拱圈獨(dú)立受力、主拱圈與梁共同受力、主拱圈為裝飾不參與主梁受力。

1 工程概況

該橋主橋?yàn)椋?5+86+25）m中承式鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)，主墩采用拱座接承臺(tái)式墩。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)公路Ⅰ級(jí)，橋面凈寬為12 m。為增加橋梁整體穩(wěn)定性，有利于橋梁結(jié)構(gòu)抗震，主拱肋向橋軸中心線傾斜10°，而成“提籃式”拱。

主拱圈投影面的計(jì)算矢高為21.5 m，邊拱拱肋的計(jì)算跨徑為49.96 m，計(jì)算正投影面的計(jì)算矢高為6.5 m，主、邊拱肋均向橋面中心線處傾斜10°；主拱、邊拱拱軸線均采用二次拋物線；拱肋截面均為蠶繭型，拱頂處拱肋高為1.6 m漸變至拱腳高度為2.6 m，壁厚δ=16 mm的鋼管和鋼腹板焊接組成，內(nèi)灌C50微膨脹混凝土。主拱拱肋設(shè)置5道工型鋼橫撐。

橋面吊桿OVM.GJ15-17鋼絞線成品索，吊桿與吊桿之間距離為5 m；在靠近拱腳附近的2根吊索下端設(shè)置弧形鉸，以減小吊索附加內(nèi)力。吊索上下導(dǎo)管口均設(shè)置一個(gè)防振圈，吊索頂部蓋板為焊接。

圖1 主橋立面布置圖

圖2 主橋跨中斷面圖

2 結(jié)構(gòu)評(píng)測(cè)

在進(jìn)行建模分析前先要對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的外觀進(jìn)行檢測(cè)，以便對(duì)主拱、主梁及吊桿等構(gòu)件的工作狀況有一個(gè)初步的掌握。接下來(lái)根據(jù)檢測(cè)所得信息對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體性評(píng)價(jià)。外觀檢測(cè)主要內(nèi)容包括：線性測(cè)量，主要是主橋面的高程；結(jié)構(gòu)的各種部件的幾何尺寸和主要部件的尺寸細(xì)節(jié)；結(jié)構(gòu)表面損傷和結(jié)構(gòu)變形。

本文中主橋標(biāo)高線形測(cè)量選擇精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行，進(jìn)而分析出橋面鋪裝的縱向線形。橋面線形測(cè)量控制點(diǎn)布置情況見(jiàn)圖3。

圖3 橋面線性測(cè)量測(cè)點(diǎn)布置圖

橋面線形測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 橋面線形測(cè)量結(jié)果分析表 cm

圖4 橋梁縱斷面線形圖

由表1及圖4可以看出，大橋施工完成后橋面縱向線性順直，橋面各個(gè)控制點(diǎn)標(biāo)高與設(shè)計(jì)吻合很好。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值和設(shè)計(jì)值之間的絕對(duì)差值為4.94 cm（右測(cè)量點(diǎn)7），橋面板的縱向線形狀很好。由圖4可以看出，無(wú)論左側(cè)還是右側(cè)，在3號(hào)、7號(hào)點(diǎn)（約L/4）高程實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值偏差相對(duì)較大（約5 cm左右）。

3 受力分析

檢查橋梁后，根據(jù)檢查結(jié)果在主橋上進(jìn)行加載試驗(yàn)，加載效應(yīng)控制內(nèi)力或撓度一般為最不利活載產(chǎn)生內(nèi)力或撓度。加載后測(cè)量相應(yīng)應(yīng)力和撓度，對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確定橋梁應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而評(píng)估橋跨結(jié)構(gòu)的承載能力。靜載試驗(yàn)基于荷載效應(yīng)相等的原則，測(cè)量結(jié)構(gòu)加載后的反應(yīng)，如應(yīng)力、撓度等。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)承載水平。在結(jié)構(gòu)震動(dòng)形態(tài)中可測(cè)得橋梁動(dòng)力特性及外力動(dòng)荷載下的響應(yīng)。

3.1 建立模型

目前，混凝土填充鋼管的材料特性主要有兩種不同的處理方法。第一種是將混凝土填充的鋼管拱肋轉(zhuǎn)換成相同的材料：或者是鋼，或者是混凝土。對(duì)于混凝土的套箍效應(yīng)，一些設(shè)計(jì)單位采用提高混凝土等級(jí)的方法來(lái)考慮提高強(qiáng)度；二是將混凝土填充鋼管作為新材料，彈性模量取綜合彈性模量。這種選用方式是將混凝土與外層套箍鋼管等量成一種材料。

本文在建模計(jì)算時(shí)采用第一種是將混凝土填充的鋼管拱肋轉(zhuǎn)換成相同的材料。理由如下：外層套箍鋼管處于彈性狀態(tài)時(shí)，泊松比保持較為恒定，一般在0.25和0.30的范圍之間。而拱肋中混凝土材料的泊松比則是隨著應(yīng)力變化而發(fā)生變化的，一般在應(yīng)力增大時(shí)從0.167變?yōu)?.5，在超過(guò)混凝土抗壓極限后，泊松比甚至可以大于0.5。這也就意味著鋼管混凝土拱肋不是一種典型的復(fù)合材料[2]。本次使用Madis Civil建模進(jìn)行計(jì)算。

圖5 計(jì)算模型

3.2 試驗(yàn)內(nèi)力分析

本橋靜載試驗(yàn)荷載效率見(jiàn)表2：工況一～工況七分別為主拱跨中斷面中載最大正彎矩、主拱跨中斷面偏載最大正彎矩、1/4主拱位置最大正彎矩中載、1/4主拱位置最大正彎矩偏載、主拱起拱線最不利負(fù)彎矩中載、主拱起拱線最不利負(fù)彎矩偏載、邊跨跨中最不利負(fù)彎矩。

表2 主橋各工況靜載加載效率表

3.2.1 吊桿索力分析

表3 主橋系桿撓度工況分級(jí)加載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表

從表3中數(shù)值可以看出主橋系桿撓度校驗(yàn)系數(shù)均在0.61～0.98之間，系桿在承受荷載時(shí)有足夠剛度，說(shuō)明其滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 吊桿索力

表4 實(shí)測(cè)吊桿索力數(shù)據(jù)分析表

從表4中數(shù)值可以看出，實(shí)際測(cè)量所得的吊桿索力與吊桿設(shè)計(jì)索力數(shù)值吻合較好。由于短吊桿邊界條件的不確定性以及測(cè)量難度的加大，使得所測(cè)索力與理論索力有一定的出入，故測(cè)試數(shù)據(jù)沒(méi)有可用性[3]。綜上說(shuō)明索力控制較好。

3.2.3 模態(tài)及振型

本橋動(dòng)載試驗(yàn)理論計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 主梁前5階自振頻率

圖6 主橋1階振型圖（橫向）

圖7 主橋2階振型圖（豎向）

圖8 主橋3階振型圖（橫向）

圖9 主橋4階振型圖（豎向）

圖10 主橋5階振型圖（橫向）

由圖6～圖10可知主橋模態(tài)表現(xiàn)為主拱整體橫向震動(dòng)，1階振型為結(jié)構(gòu)受外荷載最容易激發(fā)的震動(dòng)形式，故在吊桿索力較大或者超張拉的情況下，拱肋可能存在失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)；2階振型為橋面豎向彎曲，車(chē)輛荷載的沖擊會(huì)加劇此種振型的幅值；5階振型為橋面的橫向彎曲，此振型發(fā)生在橫向荷載作用下，一般為橫向風(fēng)荷載作用下，但此階振型需要能量較高不容易激發(fā)。

4 結(jié)論

通過(guò)以上計(jì)算分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得以下結(jié)論：

a）索力測(cè)試應(yīng)引起重視，在提籃式系桿拱橋中吊桿平面與橋平面不垂直，會(huì)在橫梁中產(chǎn)生橫向內(nèi)力，且索力超張拉后極易引起橋梁失穩(wěn)。

b）鋼管混凝土拱肋中混凝土填充存在不密實(shí)脫空等現(xiàn)象，合理確定主拱肋內(nèi)力布設(shè)試驗(yàn)荷載的大小。

c）在進(jìn)行振型與頻率分析時(shí)，拱橋與梁式橋不同，震動(dòng)基頻并不能直接反應(yīng)結(jié)構(gòu)的剛度。