大跨徑鋼桁架拱橋靜載試驗(yàn)研究

周葉軍，萬(wàn)衛(wèi)紅

(江西交通科學(xué)研究院，江西 南昌 330038)

鋼桁架拱橋具有承載力高、自重輕、跨度大、變形小、充分利用材料強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，與之相關(guān)的設(shè)計(jì)、施工、理論研究等方面的文獻(xiàn)也日益增多，但鮮有涉及到鋼桁架拱橋荷載試驗(yàn)的文獻(xiàn)。介紹此類型橋梁靜載試驗(yàn)方法，分析靜載受力性能，評(píng)價(jià)橋梁承載能力，對(duì)類似橋梁靜載試驗(yàn)及設(shè)計(jì)有參考價(jià)值。

1 工程概況

贛州市新世紀(jì)大橋?yàn)?50+168+50)m中承式鋼桁架系桿拱橋，主橋橋面總寬度41 m。主拱上弦桿為高1.3 m、寬1.5 m的鋼箱結(jié)構(gòu)，下弦桿為高1.5 m、寬1.5 m的鋼箱結(jié)構(gòu)。腹桿主要采用1.5 m×0.5 m～1.5 m×0.8 m工字型斷面。中跨系梁為1.5 m×1.5 m的開(kāi)口式∏型結(jié)構(gòu)，邊跨系梁為1.5 m×1.5 m封閉箱型結(jié)構(gòu)。橫梁為工字型結(jié)構(gòu)，間距7 m，跨中梁高3 m。小縱梁為高0.7 m的工字型結(jié)構(gòu)，間距2.6 m。主梁采用鋼混凝土組合體系。系梁在拱梁固結(jié)處斷開(kāi)，設(shè)置牛腿。主拱設(shè)置5道鋼桁架式風(fēng)撐。中跨吊桿間距7 m，采用PES7-121平行鋼絲。主橋設(shè)置4根系桿平衡恒載水平推力，系桿采用PESFD7-421平行鋼絲。大橋設(shè)計(jì)荷載:公路Ⅰ級(jí)，六車道;人群荷載為3 kN/m2。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.1 試驗(yàn)計(jì)算

采用空間模型模擬大橋成橋階段，計(jì)算活載最不利值及試驗(yàn)荷載效應(yīng)。主拱、橫梁、系梁、腹桿采用BEAM188梁?jiǎn)卧?，橋面板采用SHELL63板單元，吊桿采用LINK10桁架單元。模型中不考慮墩臺(tái)及基礎(chǔ)不均勻沉降，拱腳處采用固結(jié)約束。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 空間計(jì)算模型

2.2 試驗(yàn)工況

依據(jù)文獻(xiàn)［1-2］的要求，結(jié)合本橋受力特點(diǎn)，選取如下5個(gè)靜載試驗(yàn)工況:①中跨跨中截面最大撓度、系梁及橫梁最大彎矩、跨中最大索力、主拱弦桿最大軸力;②中跨L/4截面最大撓度、系梁及橫梁最大彎矩、主拱弦桿最大軸力;③近中跨拱腳處上弦桿、下弦桿最大軸力;④邊跨跨中最大撓度、近邊跨拱腳下弦桿最大軸力;⑤系梁牛腿處最大剪力。以上5個(gè)工況中，每個(gè)工況分對(duì)稱加載及偏載兩次加載，以檢驗(yàn)橋梁的偏載效應(yīng)及抗扭性能。

靜力荷載試驗(yàn)采用三軸載重汽車(前軸重60 kN，中后軸重120 kN，前中軸距為3.60 m，中后軸距為1.35 m，輪距1.95 m)進(jìn)行等效加載，荷載效率系數(shù)η應(yīng)滿足文獻(xiàn)［1］的要求:0.8＜η≤1，其中主要加載效率＞0.95，滿足文獻(xiàn)［2］的要求。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

1)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置(主拱中跨L/4，L/2處上弦桿布置軸向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，中跨L/4，L/2系梁及橫梁布置桿件軸向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，拱腳上下弦桿布置軸向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，中跨系梁牛腿處布置45°直角應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)。

2)撓度測(cè)點(diǎn)布置:中跨橋面系各吊桿處布置撓度曲線測(cè)點(diǎn)(僅偏載側(cè)布置)，中跨L/4，L/2及邊跨跨中截面橋面橫橋向布置5個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，中跨L/4，L/2截面主拱布置撓度測(cè)點(diǎn)，另外，還在中跨伸縮縫處布置1個(gè)主梁縱橋向位移測(cè)點(diǎn)，2個(gè)主墩處各布置順橋向及豎向位移觀測(cè)點(diǎn)。

3)吊桿內(nèi)力測(cè)點(diǎn):偏載側(cè)各吊桿布置索力測(cè)點(diǎn)，非偏載側(cè)只在測(cè)試斷面附近3根吊桿布置測(cè)點(diǎn)。

各測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意(單位:m)

2.4 測(cè)試內(nèi)容及方法

1)主拱、橋面撓度(線形)測(cè)試:采用徠卡DNA03型精密電子水準(zhǔn)儀測(cè)試橋面撓度及線形，采用BJQN-5B型橋梁撓度檢測(cè)儀測(cè)試主拱撓度及主墩位移，采用百分表測(cè)試中跨伸縮縫處主梁順橋向位移。

2)主梁及主拱控制截面應(yīng)力測(cè)試:采用DH3815、DH3816靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量，在布點(diǎn)截面處擱置貼有溫度補(bǔ)償?shù)脑噳K(試件)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)逐一補(bǔ)償。

3)吊桿內(nèi)力測(cè)試:采用振動(dòng)測(cè)試法測(cè)試，并用絕對(duì)應(yīng)變法(千分表、百分表)進(jìn)行校核測(cè)試。

2.5 加載車位

試驗(yàn)加載位置應(yīng)滿足橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，并盡量模擬實(shí)際活載的使用情況，工況1加載車位如圖3所示，靜載試驗(yàn)前，使用部分加載車在橋上緩行幾次并停放，進(jìn)行預(yù)壓，以消除結(jié)構(gòu)塑性變形并使測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，正式加載時(shí)分級(jí)加載［3-6］。

3 主要試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 主拱及主桁主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

主拱及主桁架主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)力如表1，表中應(yīng)力受拉為正，應(yīng)力值為偏載工況與對(duì)稱加載工況中最大值。從表1可知，工況1至工況4，主拱、系梁、橫梁主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)0.50～0.64，滿足文獻(xiàn)［1］要求(校驗(yàn)系數(shù)≤1.05)，說(shuō)明截面強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求，且具有較大的安全儲(chǔ)備，卸載后實(shí)測(cè)應(yīng)力歸零良好，橋梁彈性恢復(fù)性能較好，處于彈性工作狀態(tài)。

圖3 工況1(偏載)車位示意(單位:m)

表1 主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果

3.2 主拱及橋面主要測(cè)點(diǎn)撓度

主拱及主桁架主要測(cè)點(diǎn)撓度如表2，撓度下?lián)蠟檎?，撓度值為偏載工況與對(duì)稱加載工況中最大值。工況1橋面撓度曲線如圖4所示，跨中橋面撓度橫橋向分布如圖5所示。

表2 主要測(cè)點(diǎn)撓度結(jié)果

圖4 工況1橋面撓度曲線

圖5 工況1跨中橋面撓度分布

從表2可知，工況1至工況4，主拱及橋面主要測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.80～0.96，滿足文獻(xiàn)［1］要求(校驗(yàn)系數(shù)≤1.05)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)剛度能滿足設(shè)計(jì)要求，卸載后殘余撓度微小，橋梁具有良好的彈性恢復(fù)能力，處于彈性工作狀態(tài)。從圖4可知，橋面撓度均小于理論值，橋面變形平順，無(wú)突變，與理論曲線吻合良好。橋面豎向撓度實(shí)測(cè)最大為30.0 mm，遠(yuǎn)小于橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的L/800，說(shuō)明橋梁豎向剛度較大。

從圖5可知，大橋主桁架在使用荷載最不利偏載作用下，偏載效應(yīng)不明顯，能較好地將力傳遞到整個(gè)截面。工況3下，主拱拱腳位移為零或小于儀器分辨精度(0.02 mm)，表面橋梁在最大活載作用下，基礎(chǔ)無(wú)明顯沉降及水平位移。

各靜載試驗(yàn)工況下，中跨主梁順橋向位移觀測(cè)結(jié)果都為零，說(shuō)明本橋伸縮縫處支座摩阻力較大，應(yīng)以固定鉸模擬邊界條件為妥。

3.3 吊桿內(nèi)力增量結(jié)果

工況1和工況2下，部分吊桿內(nèi)力實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知，吊桿力校驗(yàn)系數(shù)在0.90～0.99間，與理論預(yù)期較為吻合，表明拉索工作與設(shè)計(jì)預(yù)期一致，拉索工作正常。值得一提的是，在吊桿實(shí)測(cè)內(nèi)力計(jì)算時(shí)，采用有限元模擬計(jì)算比經(jīng)驗(yàn)公式更為準(zhǔn)確，在本橋?qū)崪y(cè)恒載下吊桿力計(jì)算過(guò)程中，采用了有限元法計(jì)算，得到了比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算更為準(zhǔn)確的結(jié)果，實(shí)測(cè)吊桿力與設(shè)計(jì)吊桿力相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。

表3 吊桿力增量

4 結(jié)語(yǔ)

1)在靜荷載下，橋梁實(shí)際受力狀態(tài)與理論計(jì)算模式基本吻合，實(shí)測(cè)應(yīng)力及撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于規(guī)范要求，卸載后應(yīng)力、撓度回零良好，結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)偏載效應(yīng)不明顯，具有較好的抗扭剛度。橋梁靜力受力性能滿足設(shè)計(jì)正常使用極限狀態(tài)承載力要求。

2)在此類橋型靜載試驗(yàn)計(jì)算模型中，對(duì)于伸縮縫處橡膠支座的模擬，以固定鉸模擬更接近實(shí)際情況。

3)在計(jì)算系桿拱橋豎向吊桿的實(shí)測(cè)內(nèi)力時(shí)，通過(guò)實(shí)測(cè)自振頻率，結(jié)合有限元模擬計(jì)算能得到較為精確的結(jié)果。

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