上承式鋼管混凝土桁構(gòu)式拱橋承載能力分析與評(píng)估

秦 雙 朱 坤

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430052)

鋼管混凝土桁構(gòu)式拱橋是鋼-混組合結(jié)構(gòu)，主拱肋內(nèi)填混凝土增加鋼管壁的穩(wěn)定性，鋼管對(duì)混凝土形成套箍作用，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，充分發(fā)揮其抗壓強(qiáng)度。而且跨徑大、形式優(yōu)美、結(jié)構(gòu)輕、受力合理[1]。

由于鋼管混凝土桁構(gòu)式拱橋結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，在周期性活荷載和自然環(huán)境作用下，橋梁實(shí)際承載能力可能有所降低，影響橋梁結(jié)構(gòu)正常使用性能，因此對(duì)既有鋼管混凝土桁構(gòu)式拱橋承載能力進(jìn)行分析與評(píng)估至關(guān)重要，同時(shí)也可為橋梁日常養(yǎng)護(hù)管理工作提供依據(jù)。

本文以某既有上承式鋼管混凝土桁構(gòu)式拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過最直接有效的靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)，分析橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力能否滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求，評(píng)估橋梁運(yùn)營(yíng)與使用是否處于安全狀態(tài)[2]。為研究同類型橋梁結(jié)構(gòu)提供一定的參考與借鑒。

1 工程概況

該橋?yàn)樽兘孛嫔铣惺戒摴芑炷凌鞓?gòu)式拱橋，主孔凈跨徑260 m，腹孔跨徑組合為7×20 m+7×20 m。主橋橋?qū)?1 m，全長(zhǎng)280 m。矢跨比為1/5，矢高52 m，拱軸系數(shù)m=1.756。

拱肋為變高等寬的鋼管混凝土桁構(gòu)，主拱肋設(shè)橫撐以加強(qiáng)其共同受力。弦管采用直徑1 020 mm×壁厚14 mm鋼管(Q345)內(nèi)灌C50混凝土；腹桿有豎直腹桿和斜腹桿，2種均采用直徑426 mm×壁厚10 mm鋼管(Q345)，僅在拱腳與鉸連接處的兩斜腹桿內(nèi)灌C50混凝土，其余腹桿均不灌混凝土，平聯(lián)桿采用直徑426 mm×壁厚10 mm鋼管，管內(nèi)均不灌混凝土，拱肋間橫向聯(lián)系及肋內(nèi)剪刀撐采用直徑180 mm×壁厚6 mm鋼管。拱上建筑均為20 m跨度先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，主橋?yàn)殇摻罨炷凉白?。拱上立柱采用鋼管混凝土排架。豎向主管采用直徑426 mm×壁厚10 mm鋼管，內(nèi)灌C50混凝土，主管間縱橫向平聯(lián)管采用直徑180 mm×壁厚6 mm鋼管，其內(nèi)不灌混凝土。

拱橋橋型布置見圖1。

圖1 拱橋橋型布置圖(單位：cm)

2 理論計(jì)算分析

2.1 有限元模型

基于midas Civil分析軟件，結(jié)合上承式鋼管混凝土桁構(gòu)式拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用梁?jiǎn)卧桶鍐卧M(jìn)行建模[3]，全橋共計(jì)5 851個(gè)節(jié)點(diǎn)，9 954個(gè)梁?jiǎn)卧? 096個(gè)板單元。其邊界條件及計(jì)算荷載選取如下。

1) 邊界條件。主拱肋兩拱腳采用固結(jié)連接，主橋兩端空心板采用鉸接連接，空心板與拱上蓋梁采用彈性連接，空心板之間采用虛擬橫向聯(lián)系連接。

2) 計(jì)算荷載?；炷寥葜厝?6 kN/m3，鋼構(gòu)件容重取78.5 kN/m3；二期荷載換算成均布荷載施加在梁?jiǎn)卧?，?jì)算結(jié)構(gòu)頻率時(shí)需將二期荷載轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)自重；汽車荷載為汽車-20級(jí)，掛車-100級(jí)，人群荷載為3.5 kN/m2，設(shè)計(jì)車速為20 km/h。

拱橋空間有限元模型見圖2。

圖2 拱橋空間有限元模型

2.2 靜載試驗(yàn)方案

1) 試驗(yàn)工況。根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，選擇主要控制截面(拱頂和拱腳)作為研究對(duì)象，以中載方式進(jìn)行加載。

工況一：拱頂最大正彎矩及撓度工況。

工況二：拱腳最大負(fù)彎矩工況。

2) 靜載試驗(yàn)效率。本次加載采用彎矩等效原則，試驗(yàn)選用3軸后8輪350 kN加載車輛(前軸重約70 kN，中后軸重均約140 kN)，靜力試驗(yàn)荷載效率宜在0.95～1.05之間，控制截面靜力試驗(yàn)荷載效率見表1。

表1 控制截面靜力試驗(yàn)荷載效率表

注：工況一采用10輛、工況二采用8輛3軸后8輪350 kN加載車；主拱肋弦桿受壓為負(fù)，受拉為正；撓度向下為負(fù)，向上為正。

3) 應(yīng)變、撓度測(cè)點(diǎn)布設(shè)

①在鋼管拱的拱腳、拱頂布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，上下弦桿布設(shè)8個(gè)測(cè)點(diǎn)(S1～S8)、豎腹桿布設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)(F1～F4)、斜腹桿布設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)(X1～X4)，每個(gè)控制截面設(shè)16個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)32個(gè)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)均布置在鋼管拱表面。主橋拱腳、拱頂控制截面測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

圖3 主橋拱頂、拱腳控制截面測(cè)點(diǎn)布置

②依據(jù)規(guī)范要求，在距人行道10 cm處布置撓度測(cè)點(diǎn)，每側(cè)8個(gè)，共計(jì)16個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)試。主橋撓度測(cè)點(diǎn)布置見圖4。

圖4 主橋撓度測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

2.3 動(dòng)載試驗(yàn)方案

1) 自振特性分析?；谟邢拊Ｐ?，對(duì)橋梁進(jìn)行特征值分析[4-5]，理論頻率及振型見圖5。

圖5 理論振型

2) 脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布設(shè)。根據(jù)自振特性理論分析，每個(gè)主拱肋布設(shè)7個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)14個(gè)測(cè)點(diǎn)。主橋脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置見圖6。

圖6 主橋脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

根據(jù)橋梁的計(jì)算振型特性，采集各測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。每次采集約30 min。

3) 跑車試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布設(shè)。主橋跨中主拱肋布置1個(gè)動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)。主橋動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)布置見圖7。

圖7 主橋動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

3 荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 靜載試驗(yàn)

1) 工況一。在最大荷載作用下，拱頂截面弦桿測(cè)點(diǎn)S6、豎腹桿測(cè)點(diǎn)F4、斜腹桿測(cè)點(diǎn)X4應(yīng)變結(jié)果見表2。

表2 拱頂截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變結(jié)果表

在最大荷載作用下，拱頂截面測(cè)點(diǎn)A，B的實(shí)測(cè)彈性撓度分別為-20.0 mm，-19.0 mm，對(duì)相應(yīng)的校驗(yàn)系數(shù)分別為0.887，0.843，相對(duì)殘余分別為5.2%，4.5%。工況一最大荷載作用下橋梁豎向撓度見圖8。

圖8 最大荷載作用下橋梁豎向撓度

2) 工況二。在最大荷載作用下，拱腳截面弦桿測(cè)點(diǎn)S1、豎腹桿測(cè)點(diǎn)F1、斜腹桿測(cè)點(diǎn)X2應(yīng)變結(jié)果見表3。

表3 拱腳截面應(yīng)測(cè)點(diǎn)變結(jié)果表

由以上圖表可知：

1) 主要應(yīng)變測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)為0.500～0.966，主要撓度測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)為0.843～0.887，相對(duì)殘余均不大于20%，在合理范圍內(nèi)[6-7]。

2) 基于該橋結(jié)構(gòu)的特殊性(鋼-混組合結(jié)構(gòu))，主要測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)與規(guī)范[8]是相符合的。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)

1) 脈動(dòng)試驗(yàn)。根據(jù)理論振型，選取合適的參考點(diǎn)，采用江蘇東華無(wú)線橋梁模態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)DH5907N，得到該橋的模態(tài)參數(shù)見表4，實(shí)測(cè)振型見9。

表4 實(shí)測(cè)模態(tài)參數(shù)與理論值對(duì)比表

圖9 實(shí)測(cè)振型

由以上圖表可知，該橋?qū)崪y(cè)各階豎向彎曲頻率和橫向彎曲頻率與理論頻率基本相符，實(shí)測(cè)振型與理論振型基本一致，實(shí)測(cè)阻尼比為2.49%～4.67%，說明實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠很好地反映橋梁的振動(dòng)且無(wú)明顯缺陷，結(jié)構(gòu)整體動(dòng)剛度滿足規(guī)范要求。

2) 跑車試驗(yàn)。采用光電撓度儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)采用1輛350 kN的載重汽車，分別以10，15，20 km/h的車速勻速駛過橋梁，每一車速下行駛3次。跑車試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 跑車試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表

由表5可見，各車速下實(shí)測(cè)動(dòng)力增大系數(shù)為1.039～1.074，沖擊系數(shù)為0.039～0.074，最大沖擊系數(shù)為0.074，略大于理論沖擊系數(shù)0.050。

4 結(jié)論

1) 該橋主要應(yīng)變、撓度校驗(yàn)系數(shù)，相對(duì)殘余均在合理范圍內(nèi)?；谠摌?yàn)殇?混組合結(jié)構(gòu)，主要測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)介于鋼筋混凝土拱橋與鋼橋之間。

2) 該橋?yàn)樯铣惺戒?混桁構(gòu)式拱橋，屬于高次超靜定無(wú)鉸拱，自振特性理論分析與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，且由低階橫、豎向彎曲頻率和振型分析可知，結(jié)構(gòu)自振特性能夠反映橋梁的橫向穩(wěn)定性。

3) 該橋?qū)崪y(cè)最大沖擊系數(shù)略大于理論沖擊系數(shù)，這與橋面鋪裝的不平度、粗糙度有關(guān)，為研究沖擊系數(shù)提供一個(gè)方向。

4) 基于現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)，可以很好地掌握該橋的結(jié)構(gòu)受力特性，以分析與評(píng)估其承載能力，為該橋日常養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)，對(duì)研究運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下同類型橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力具有一定參考與借鑒價(jià)值。