韓振國

（泰州職業(yè)技術學院建筑工程學院，江蘇 泰州225300）

0 引 言

傳統(tǒng)拱橋具有較大跨越能力，且主要承受荷載壓力作用，有利于充分發(fā)揮圬工等抗壓材料的力學性能，但同時因拱肋材料強度不高、拱圈自身質量較大等不足，限制了更大跨越能力發(fā)揮。隨著實際橋梁工程需要跨越更大距離的障礙物，突破矢跨比限值的拱橋結構已屢見不鮮，主拱肋的穩(wěn)定性對整個橋梁安全的影響度增大[1]。主拱肋如果仍采用單一抗壓混凝土等材料，無法滿足現(xiàn)行規(guī)范安全技術要求。而采用套箍內(nèi)施加核心混凝土的鋼管混凝土組合材料，由于充分發(fā)揮了組合材料中鋼管壁限制管內(nèi)混凝土發(fā)生橫向變形共同作用，顯著提高了大跨度拱橋的安全穩(wěn)定性，在國內(nèi)得到了快速發(fā)展[2]。在役鋼管混凝土拱橋使用過程中不斷承受荷載車輛的反復作用、災害天氣及交通事故等不利因素影響，造成橋梁的局部受損及破壞，降低橋梁安全運營的可靠性，引發(fā)安全性問題。通過對在役鋼管混凝土拱橋的安全性評估，可以及早發(fā)現(xiàn)橋梁病患并確定橋梁損傷部位[3]，或在橋梁運營出現(xiàn)異常時及時發(fā)出預警信號，進而有效地開展安全事故預防，確保人民生命財產(chǎn)安全[4]。

目前國內(nèi)外對于鋼管混凝土拱橋在組合材料的本構、設計計算理論、結構的動靜力分析及穩(wěn)定性分析等方面，均已經(jīng)開展了較為廣泛研究并取得成果。國外專家通過長期分析研究，積累大量橋梁荷載動力效應經(jīng)驗，確定合理沖擊系數(shù)的計算公式，建立了系統(tǒng)規(guī)范的橋梁荷載試驗[5]。國內(nèi)通過對眾多橋梁開展不同程度橋梁檢測，借助橋梁荷載試驗方法，對橋梁安全承載能力進行了驗證，不斷豐富和發(fā)展橋梁檢測理論。這其中包括梁格法，但梁格法實際建模時，由于對模型劃分降低了精細化要求，導致出現(xiàn)誤差不能準確反映鋼管混凝土拱橋真實動力反應。本文在已有研究基礎上，對某在役鋼管混凝土拱橋在役狀態(tài)進行了計算分析與評估。為真實反映某在役鋼管混凝土拱橋的極限承載能力狀態(tài)，按照精細化原理構建拱橋有限元模型，分析影響在役鋼管混凝土拱橋安全狀態(tài)的因素，并對模型進行理論加載分析，確定綜合評估模型中各計算公式的技術參數(shù)值。在各種加載工況下實測橋梁的應力變形、動力特性和吊桿索力數(shù)值，通過與理論數(shù)值的對比分析，確定橋梁在役靜力、動力性能是否滿足安全要求。

1 安全評估指標

橋梁安全評估即承載能力評估或強度評估，是對橋梁結構的破壞極限狀態(tài)的評估[6]，以結構或構件的極限強度、穩(wěn)定性能分析為主要內(nèi)容。利用荷載試驗獲取在役鋼管混凝土拱橋運營狀態(tài)的靜動力特性參數(shù)[7]，可以對橋梁運營狀態(tài)下有限元模型進行校核和修正，為在役橋梁運營管理提供精細化基準模型，便于進行在役鋼管混凝土結構運營狀態(tài)的位移應力預測和安全狀態(tài)評估[8]。

1）實測結構的校驗系數(shù)ξ

校驗系數(shù)是位移或應變試驗值與理論計算值之比[9]，反映了結構的實際工作響應。應變校驗系數(shù)越小，說明主梁的強度貯備越高；位移校驗系數(shù)越小，說明主梁的剛度越好。

2）相對殘余變位或應變Sp′

相對殘余變位或應變Sp′指的是殘余變位（或殘余應變）與總變位（或總應變）的比值。其值小，說明主梁處于彈性工作狀態(tài)，一般要求其值不大于20%。

3）自振特性分析

自振特性主要以頻率分析、阻尼分析和振型分析過程進行測試。使用速度傳感器作拾振器，采用振動及動態(tài)信號采集儀采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸入計算機，由專業(yè)軟件識別確定相應的模態(tài)參數(shù)。采用結構模態(tài)分析軟件對測試數(shù)據(jù)進行譜分析，根據(jù)自相關譜、互相關譜、各點相位及相干系數(shù)確定各階頻率。結構阻尼系數(shù)用阻尼比D可采用波形分析法按照式（1）計算得到。

式（1）中：n為參與計算的波的個數(shù)；Ai為參與計算的首波波峰值；Ai′為參與計算的首波波谷值；Ai+n為參與計算的尾波波峰值；Ai+n′為參與計算的尾波波谷值。

振型分析釆用結構模態(tài)分析軟件，對測試數(shù)據(jù)作傳遞函數(shù)分析，確定各測點的相對幅值大小和相位，從而得出橋梁結構的各階振型。

4）沖擊系數(shù)μ

利用脈動法進行自振特性測試[10]，記錄跨中橋面豎向速度時程曲線，通過對測得的速度積分得到橋面豎向位移增量的時程曲線后，按照式（2）計算在役鋼管混凝土拱橋在各行車試驗工況下的實測沖擊系數(shù)。

式（2）中：fdmax為最大動擾度幅值；fp-p為擾動動態(tài)分量的峰-峰值。

2 工程實例有限元模型

2.1 橋梁概況

某在役鋼管混凝土拱橋結構，跨徑布置為：16 m（預應力混凝土簡支板梁橋）+54 m（鋼管混凝土拱橋）+16 m（預應力混凝土簡支板梁橋）。主橋為計算跨徑為54 m的系桿拱橋，拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土結構，鋼管混凝土拱肋、拱座采用C50自密實混凝土。拱肋軸線為二次拋物線，矢跨比為1∶4.5，矢高為12 m。拱肋鋼管采用Q345D鋼，吊桿拉索采用FPES平行鋼絲拉索，由85根直接7 mm的鍍鋅高強鋼絲組成，外設PE套管。

2.2 模型建立

結構建模按照精細化原理，充分考慮在役鋼管混凝土系桿拱橋的結構特點要求，按照現(xiàn)場檢測獲取結果數(shù)據(jù)和設計圖紙，借助Midas Civil 2017建模軟件進行建模計算[11-12]。拱肋、系桿、橫梁、風撐采用梁單元，吊桿采用只受拉單元，橋面鋪裝層和護欄均轉換成均布荷載考慮，計算模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

該橋結構計算按雙向四車道考慮，設計荷載等級為公路I級，人群荷載按3.5 kPa計算，單側非機動車道按城市橋梁活荷載B級0.6的折減系數(shù)計算。考慮非機動車道荷載和人群荷載情況，設計活載作用下拱肋和系桿的彎矩包絡圖如圖2所示，撓度圖如圖3所示。

圖2 設計活載作用下拱肋和系桿彎矩包絡

圖3 設計活載作用下?lián)隙?/p>

3 靜載試驗

3.1 橋梁靜載試驗工況

考慮該在役鋼管混凝土拱橋運營階段實際荷載特點，本次安全性評估試驗選取主橋跨為試驗對象，現(xiàn)場試驗見圖4。結合設計荷載和試驗荷載計算結果，并根據(jù)橋梁結構現(xiàn)狀，采用等效荷載進行加載[13]。試驗中加載車輛選用大型載重汽車，其中單輛車總重350 kN。本次靜載試驗共3個工況，按照荷載效率ηq為0.82～1.04范圍進行計算，基本可以滿足《城市橋梁檢測與評定技術規(guī)范》（CJJ/T 233—2015）建議運營階段橋梁荷載效率要求（0.95≤ηq≤1.05）[14]。各加載工況內(nèi)容及荷載效率詳見表1。

圖4 橋梁靜載現(xiàn)場試驗

表1 靜載試驗加載工況及效率系數(shù)

3.2 橋梁靜載測試截面布置

1）應變測點布置

根據(jù)設計活載作用彎矩包絡圖計算結果，結合該在役鋼管混凝土拱橋的結構特點，選取相應控制截面進行應力測試[15]，同時測試截面應避開構件加厚部位。應變測試采用振弦式表面應變傳感器測量各構件控制截面的應變[16]，在主跨東、西側系桿、拱肋和中橫梁位置處布置應變點，應變測點布置見圖5、圖6。

圖5 系桿、拱肋和中橫梁應力測試截面布置

圖6 各構件應力測試截面應力測點布置

2）撓度測點布置

控制截面在試驗荷載作用下的最大撓度，是衡量在役鋼管混凝土拱橋整體結構剛度的重要指標之一[17]。梁撓度測試采用電子水準儀和全站儀，測量試驗荷載作用下系桿和拱肋各控制截面的豎向位移。變形測試選擇拱肋和系梁，變形測點布置在吊桿所在位置處布置，如圖7所示。

圖7 拱肋和系梁撓度測點布置

3）索力測點布置

利用頻率法測試吊桿內(nèi)力。將索力傳感器附著于在役鋼管混凝土拱橋主跨東西側各吊桿，測點位置見圖8，拾取吊桿在環(huán)境激振下的脈動信號，進行頻譜分析，得到相應吊桿自振頻率數(shù)值后，查閱并按照規(guī)范劃定的內(nèi)力和頻率固有關系式，計算確定相應的吊桿內(nèi)力數(shù)值。

圖8 東西側吊桿索力測點布置

4 靜載試驗結果分析

1）應力數(shù)據(jù)分析

各加載工況下主橋系桿、拱肋及中橫梁相應測試截面的實測應變與理論值對比分析見表2。檢測結果表明，試驗荷載作用下，系桿、拱肋及中橫梁應變實測值均小于理論值，系桿應變校驗系數(shù)分布在0.78～0.88之間，拱肋應變校驗系數(shù)分布在0.67～0.85之間，中橫梁應變校驗系數(shù)分布在0.73～0.75之間，均滿足規(guī)范[14]中小于1.0的要求。卸載后，測試截面的應變均能恢復，相應殘余應變率均小于20%，通過查閱規(guī)范結果表明該在役鋼管混凝土系桿拱橋主橋上部結構仍處于彈性工作安全狀態(tài)。

表2 加載工況下系桿、拱肋主要測點應力分析

2）撓度數(shù)據(jù)分析

各加載工況下主橋系桿、拱肋相應測試截面的實測豎向位移與理論值的對比分析見表3。檢測結果表明，試驗荷載作用下，測試截面的撓度實測值均小于理論值，系桿撓度校驗系數(shù)分布在0.81～0.92之間，拱肋撓度校驗系數(shù)分布在0.77～0.84之間，均滿足規(guī)范[14]中小于1.0的要求。卸載后相應殘余撓度均小于20%，表明主橋上部結構處于彈性工作狀態(tài)。

表3 加載工況下系桿、拱肋主要測點撓度分析

3）吊桿索力測試數(shù)據(jù)分析

吊桿基頻測試見表4結果表明，縱橫向對稱吊桿索力基本一致，所測吊桿的內(nèi)力校驗系數(shù)數(shù)值分布在0.77～0.83間，實測吊桿索力數(shù)值與理論計算值具有較好的相符性，表明吊桿索力對稱分布，索力分布合理，滿足規(guī)范要求。

表4 吊桿主要測點內(nèi)力分析

5 動載試驗結果分析

針對在役鋼管混凝土拱橋的動載試驗主要分為脈動試驗和強迫振動試驗（跑車試驗和剎車試驗）。脈動試驗：在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源情況下，借助高靈敏度動力測試系統(tǒng)手段，測定隨機荷載激振而引起橋跨結構微小的豎向和橫向振動響應，測得結構的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性[18-19]。強迫振動試驗：①跑車試驗。采用振動及動態(tài)信號采集系統(tǒng)共同采集，在試驗跨的跨中截面位置的橋面上布設豎向拾振器，測試橋梁在不同車速作用下的動態(tài)振動響應。②剎車試驗。采用加載車輛不同速度勻速行駛至試驗橋跨的跨中截面處剎車，測定主梁的動態(tài)振動響應。

1）脈動試驗結果與分析

采用有限元程序對主橋系桿拱進行動力特性分析，該橋的理論前三階豎向振型如圖9所示。對于實橋各測點的速度時程曲線進行頻譜分析，得到前三階實測豎彎振型如圖10所示。根據(jù)模態(tài)試驗實測結果表5可知：該在役鋼管混凝土拱橋主橋上部結構自振頻率實測值大于理論值，實測振型與理論振型一致，實測阻尼處于正常范圍內(nèi)，說明主橋上部結構實際整體剛度大于理論剛度。

表5 頻率實測數(shù)值與計算值比較

圖9 主橋理論前三階振型

圖10 主橋實測前三階振型

2）跑車試驗及剎車試驗結果與分析

本次試驗采用一輛35T的標準車分別進行跑車試驗和剎車試驗，采用速度傳感器結合動力測試系統(tǒng)記錄橋面的豎向速度時程曲線。通過軟件進行積分計算，求得結構的動位移時程曲線見圖11，測得橋梁在行車條件下的實際沖擊系數(shù)見表6。測試結果表明：行車試驗實測沖擊系數(shù)小于理論計算值，橋梁自身的動力性能較好。

圖11 強迫振動撓度測試時程曲線

表6 不同車速激振下試驗結果分析

6 結 論

1）以現(xiàn)行規(guī)范理論與荷載試驗為基礎，建立了在役鋼管混凝土拱橋實際承載力計算模型。分別對荷載作用下該橋模型主橋系桿、拱肋及中橫梁相應測試截面承受應力、撓度和吊桿索力的理論值和實測值進行計算對比，結果表明該橋應力數(shù)值、撓度分析和索力合理分布均能滿足安全使用的要求。在役鋼管混凝土拱橋的實測振型與理論振型一致，不同車速激振下沖擊系數(shù)結果對比可知，該橋自身動力特性處在較好狀態(tài)。

2）綜合分析荷載試驗數(shù)據(jù)和在役鋼管混凝土拱橋試驗現(xiàn)象可知，該在役鋼管混凝土拱橋整體結構處在彈性受力狀態(tài)下，拱肋、系桿和系梁受力狀態(tài)滿足設計規(guī)范要求，該方法評估結論能夠有效地反映出橋梁的實際使用情況，為后續(xù)橋梁運營階段的養(yǎng)護維修和安全狀態(tài)評估提供了實踐參考。

3）本文在役鋼管混凝土拱橋實際承載力計算模型構建時，主要采用復合梁單元建立鋼管混凝土拱肋結構，忽略了鋼管與混凝土之間滑移的影響因素，建議后續(xù)的承載能力研究中應將鋼管與混凝土之間的不同步變形一并進行考慮。