林 彥 哲

(福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350025)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)事業(yè)日益騰飛，為滿足城市交通發(fā)展需要，越來越多結(jié)構(gòu)新穎、跨越能力強(qiáng)的橋梁涌現(xiàn)在城市干道中。其中，鋼箱梁吊桿拱橋以其優(yōu)秀的跨越能力與美觀的造型、安全穩(wěn)定的受力性能備受青睞。同時，隨著橋梁設(shè)計與施工工藝日趨復(fù)雜，在橋梁正式投入運(yùn)營前對橋梁結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行檢測評估愈發(fā)重要[1]。成橋荷載試驗(yàn)是檢驗(yàn)橋梁實(shí)際工作性能最直觀有效的評估手段，保障橋梁結(jié)構(gòu)安全的同時也為橋梁日后維護(hù)提供初始數(shù)據(jù)。本文以中承式鋼箱異型拱橋荷載試驗(yàn)為例，介紹了該類橋梁荷載試驗(yàn)的工況布置與測試內(nèi)容，通過對比分析測試數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果，評估橋梁在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)與受力性能是否滿足規(guī)范與設(shè)計要求，為其他同類型異型拱橋開展荷載試驗(yàn)檢測評估工作提供參考借鑒。

1 工程概況

某雙跨中承式鋼箱吊桿異型拱橋，橋梁采用剛構(gòu)體系，橋墩、鋼主梁和拱肋固結(jié)，橋臺處拱座和橋臺共承臺，橋梁跨徑布置為2×57.5 m=115 m。拱肋采用鋼箱結(jié)構(gòu)，四片拱肋在平面內(nèi)向外旋轉(zhuǎn)13°形成X形布置。主梁為鋼箱梁，單箱五室等高度截面，拱肋與主梁之間設(shè)4×7根吊索。橋梁設(shè)吊桿段全寬為23.44 m，布置為：1.72 m(吊桿區(qū))+2.0 m(人行道)+2.5 m(非機(jī)動車道)+3.75 m(機(jī)動車道)+3.5 m(中央隔離帶)+3.75 m機(jī)動車道+2.5 m(非機(jī)動車道)+2.0 m(人行道)+1.72 m(吊桿區(qū))=23.44 m。

1)拱肋：拱肋在立面內(nèi)共面，軸線采用擬合曲線，蝴蝶拱造型。采用變截面鋼箱結(jié)構(gòu)，其截面外輪廓尺寸根據(jù)拱軸線長度呈線形變化。鋼材采用Q345qC。拱腳錨固通過拱座定位板和預(yù)應(yīng)力粗鋼筋固定。

2)鋼主梁：鋼主梁采用等高度單箱五室截面，中心截面高2.0 m，頂寬20.0 m～23.44 m，鋼梁橋面板采用正交異性板構(gòu)造，鋼箱梁鋼材采用Q345qC。

3)吊桿：吊索采用31φ5 mm高強(qiáng)度鍍鋅平行鋼絲，極限強(qiáng)度為1 670 MPa。

4)下部結(jié)構(gòu)：橋墩由上墩柱、鋼混結(jié)合段和下墩柱組成，上墩柱采用變截面鋼結(jié)構(gòu)，鋼墩柱通過焊接與鋼主梁連接；下墩柱采用混凝土結(jié)構(gòu)，與鋼主梁固結(jié)，結(jié)合段鋼墩柱內(nèi)澆筑混凝土。橋臺與拱座共用承臺，承臺下設(shè)直徑120 cm雙排樁，橫橋向間距450 cm，縱橋向間距400 cm。下墩柱、承臺、橋臺及拱座采用C40混凝土，樁基礎(chǔ)采用C35水下混凝土。

5)設(shè)計荷載：橋梁機(jī)動車道荷載標(biāo)準(zhǔn)：城—A級；人行道及非機(jī)動車道：按規(guī)范取值。橋型結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

2 有限元建模

采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元軟件 Midas/Civil進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析[2]，根據(jù)設(shè)計施工資料并結(jié)合現(xiàn)場結(jié)構(gòu)核查結(jié)果，建立有限元分析模型。鋼箱梁、鋼箱拱肋、橋墩等共采用了486個梁單元模擬，吊桿采用28個只受拉桁架單元模擬。拱腳和中間墩在承臺處采用固接約束，材料參數(shù)根據(jù)設(shè)計圖紙按規(guī)范進(jìn)行取值。主橋有限元模型如圖2所示。

3 靜載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工況與荷載效率

本項(xiàng)目為驗(yàn)收性荷載試驗(yàn)，依據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》[3]規(guī)范規(guī)定，驗(yàn)收性荷載試驗(yàn)效率須滿足不小于0.85且不大于1.05的要求，依據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)控制截面在設(shè)計荷載作用下最不利效應(yīng)值的內(nèi)力等效原則，通過有限元模型布置試驗(yàn)荷載作用，計算分析得出本項(xiàng)目各試驗(yàn)工況的靜載試驗(yàn)效率[4]，如表1所示。各工況均采用加載車輛橫橋向?qū)ΨQ布載。

表1 靜載試驗(yàn)工況布置

3.2 測試截面與測點(diǎn)布置

靜載試驗(yàn)共布置6個測試截面，如圖3所示。應(yīng)變測試采用振弦式應(yīng)變計以及振弦讀數(shù)儀，應(yīng)變測試截面為1—1，2—2，3—3，5—5，6—6截面，應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖4～圖6；主梁撓度測試采用水準(zhǔn)儀測試，撓度測試截面為1—1截面，測點(diǎn)布置如圖4所示；1號墩側(cè)拱腳水平位移測試采用全站儀觀測，于4—4拱腳截面南北兩側(cè)各布置1個反光片測點(diǎn)進(jìn)行水平位移測試。在試驗(yàn)跨南北兩側(cè)索面的1號吊桿與2號吊桿處布置索力測點(diǎn)。

激光二維掃描傳感器z方向測量線性度誤差u5為0.5μm?；剞D(zhuǎn)誤差對本系統(tǒng)測量影響較小，可以忽略。綜上，測量小直徑和大直徑塞規(guī)直徑時，系統(tǒng)的不確定度Δ1和Δ2為：

3.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1索力檢測結(jié)果

吊桿索力檢測結(jié)果見表2。檢測結(jié)果表明，吊桿索力測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)處于0.46～0.67之間，相對殘余處于2.6%～3.5%之間。

表2 吊桿索力增量檢測結(jié)果

3.3.2應(yīng)變檢測結(jié)果

檢測結(jié)果見表3。檢測結(jié)果表明，拱肋及主梁、墩柱應(yīng)變測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)處于0.41～0.81之間，相對殘余應(yīng)變處于0%～15.2%之間。

3.3.3變形檢測結(jié)果

檢測結(jié)果見表4。檢測結(jié)果表明，拱肋及主梁變形測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)處于0.65～0.86之間，相對殘余變形處于1.2%～12.5%之間。

表3 應(yīng)變檢測結(jié)果

表4 變形檢測結(jié)果

4 動載試驗(yàn)

4.1 自振特性試驗(yàn)

本次測試在各跨橋面8等分點(diǎn)各放置1個豎向加速度傳感器。采用環(huán)境脈動法測試橋梁振動響應(yīng)[5]。自振特性試驗(yàn)測試結(jié)果見表5。實(shí)測主梁1階反對稱豎彎振型、主梁2階對稱豎彎振型與理論振型對比見圖7。

4.2 無障礙行車試驗(yàn)

表5 橋梁自振頻率實(shí)測值與理論值匯總表

試驗(yàn)結(jié)果表明：跑車工況下，實(shí)測最大沖擊系數(shù)μdyn=0.05，剎車工況下，實(shí)測最大沖擊系數(shù)μdyn=0.11，均小于按JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范第4.3.2條規(guī)定計算得到的設(shè)計理論沖擊系數(shù)值，見表6。

表6 實(shí)測動力沖擊系數(shù)匯總表

5 結(jié)論

通過對本文兩跨中承式鋼箱異型拱橋進(jìn)行靜動載試驗(yàn)，結(jié)合有限元模型理論數(shù)據(jù)和試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)的比較分析，得到結(jié)論如下：

1)在靜力試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測吊索索力增量校驗(yàn)系數(shù)處于0.46～0.67范圍，實(shí)測主梁、拱肋、墩柱應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)處于0.41～0.81范圍，實(shí)測撓度及水平位移校驗(yàn)系數(shù)處于0.65～0.86范圍，均滿足JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[6]規(guī)定的校驗(yàn)系數(shù)不大于1的要求，表明主梁、鋼箱拱肋以及吊桿等構(gòu)件受力狀態(tài)滿足設(shè)計要求，橋梁結(jié)構(gòu)具有較好的強(qiáng)度與剛度。

2)靜力荷載退載后，實(shí)測吊索索力增量相對殘余值處于2.6%～3.5%范圍，主梁、拱肋、墩柱相對殘余應(yīng)變處于0%～15.2%范圍，主梁、拱腳相對殘余變形處于1.2%～12.5%范圍，相對殘余索力增量、應(yīng)變及變形均滿足JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程規(guī)定的相對殘余不大于20%的要求，表明橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

3)動載試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)測振型與理論振型基本相符，實(shí)測橋梁前2階豎向自振頻率均大于理論計算結(jié)果，說明橋梁結(jié)構(gòu)整體動力性能良好，整體剛度滿足設(shè)計要求；跑車與剎車工況下，實(shí)測橋梁最大沖擊系數(shù)均小于設(shè)計沖擊系數(shù)0.12，滿足設(shè)計要求。

4)靜動荷載試驗(yàn)測試表明該中承式鋼箱異型拱橋的成橋性能滿足城—A級荷載等級的設(shè)計要求；為該中承式鋼箱異型拱橋的交竣工驗(yàn)收及其后續(xù)管養(yǎng)提供技術(shù)依據(jù)。同時，本文可為同類異型拱橋開展荷載試驗(yàn)檢測評估工作提供參考借鑒。