下承式鋼桁架拱橋靜力試驗(yàn)研究

■王汪陽

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)） 有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830002）

自古以來拱橋因造型美觀、堅(jiān)固耐用在我國橋梁發(fā)展歷程中占據(jù)重要地位。 鋼桁架拱橋是拱橋中的一種，其橋跨結(jié)構(gòu)兩側(cè)采用拱形桁架，中間采用實(shí)腹段[1]。 在鋼桁架拱橋設(shè)計(jì)時(shí)，每個(gè)桿件均可根據(jù)受力情況而確定截面形式，這樣既可以提供各桿件之間的工作效率，又可以大大降低工程造價(jià)。 對(duì)于桁架體系而言，具有重量輕、體積小、剛度大、受力性能好的優(yōu)點(diǎn)[2]。 因此，近年來鋼桁架拱橋成了國內(nèi)外專家學(xué)者研究的重要課題[3-4]。

橋梁在建成通車前， 需要進(jìn)行成橋荷載試驗(yàn)，以驗(yàn)證工程的質(zhì)量及橋梁的受力情況，明確橋梁成橋后的應(yīng)用狀況、檢驗(yàn)設(shè)計(jì)及施工的合理性，同時(shí)為類似橋梁在設(shè)計(jì)和施工時(shí)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

本研究以某下承式鋼桁架拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，主橋結(jié)構(gòu)形式為（22+106+22）m。 該橋的拱軸線下弦桿采用圓弧線與二次拋物線，下弦桿采用二次拋物線，拱頂桁架高度為3.5 m，矢跨比1/5.5，下拱肋矢高19.27 m，橋?qū)?8 m，雙向六車道。 在順橋向拱腳處一端設(shè)置固定支座，另一端設(shè)置滑動(dòng)支座。

主梁為主縱梁、鋼橫梁、次縱梁共同受力的結(jié)構(gòu)， 橋面系為正交異形板， 橋梁中心線處梁高2.57 m。鋼材型號(hào)為Q345qC 鋼材；主橫梁的斷面形式為工字型斷面，吊桿采用平行鋼絲吊桿，吊桿索體采用85 根φ7 mm 平行鋼絲， 標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為670 MPa。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，墩柱與樁基通過承臺(tái)連接，根據(jù)受力需要，鉆孔灌注樁直徑分別選用1.5 m、1.8 m。

設(shè)計(jì)荷載：恒載（自重、二期恒載）、活載（城-A荷載、人群荷載）、支座不均勻沉降、風(fēng)荷載和溫度荷載等。 該橋立面布置圖如圖1。

圖1 橋梁立面結(jié)構(gòu)布置（單位:cm）

2 靜力試驗(yàn)工況分析

2.1 有限元模型的建立

本拱橋采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/Civil建立鋼桁架拱橋的有限元實(shí)橋模型，采用梁單元模擬主縱梁、次縱梁、橫梁、桁架拱、風(fēng)撐等構(gòu)件，采用板單元模擬橋面板部分， 采用桁架單元模擬吊索，實(shí)橋模型共1 600 個(gè)梁單元，600 個(gè)板單元，30 個(gè)桁架單元，拱橋有限元模型見圖2。

圖2 拱橋有限元模型

2.2 靜力試驗(yàn)工況的確定

通過對(duì)實(shí)橋有限元模型在成橋狀態(tài)下的受力分析，結(jié)合拱橋荷載試驗(yàn)相關(guān)參考文獻(xiàn)，最終選取以下3 個(gè)測(cè)試截面分別為：A-A 截面（拱頂截面）、B-B 截面（L/4 截面）和C-C 截面（墩頂截面）[6]。 測(cè)試截面布置見圖3， 各測(cè)試斷面的加載工況如表1所示，各工況加載布置圖如圖4 所示。 為保證靜力試驗(yàn)結(jié)果的有效性及可靠性，本次靜力試驗(yàn)最多選用了14 輛300 kN 的三軸載重汽車。 靜力試驗(yàn)車輛荷載布置分為中載和偏載2 種，分別在跨中位置及L/4 位置處進(jìn)行加載。

圖3 拱橋測(cè)試斷面示意圖

表1 測(cè)試斷面的加載工況

圖4 工況加載布置示意圖（單位：m）

3 靜力試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果及分析

在測(cè)試過程中鋼桁架拱橋主梁、 橫梁及拱肋的應(yīng)力是最能直觀體現(xiàn)橋梁的受力狀況的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)。 應(yīng)力的測(cè)試是通過綜合測(cè)試儀連接預(yù)先埋設(shè)好的應(yīng)變計(jì)測(cè)出應(yīng)變的變化值，然后轉(zhuǎn)換成應(yīng)力值。 全橋各測(cè)試截面的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值數(shù)據(jù)見表2～4。

表2 主梁應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

表3 橫梁應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

表4 拱肋應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

根據(jù)表2～4 可知， 在各工況下鋼桁架拱橋主梁、橫梁及拱肋的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.76～0.96，最大殘余比為4.58%，均小于20%，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）的相關(guān)要求[8]。通過靜力試驗(yàn)下主梁、 橫梁及拱肋的應(yīng)力大小可以看出，該橋結(jié)構(gòu)受力情況較好，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化值均小于理論值且變化趨勢(shì)相接近。

3.2 撓度數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果及分析

撓度是能夠宏觀反映鋼桁架拱橋的結(jié)構(gòu)剛度的重要參數(shù)， 是靜力試驗(yàn)測(cè)試的又一大重要控制性指標(biāo)。 本次主要測(cè)試鋼桁架拱橋的橫梁撓度及拱肋撓度，采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量[9]。 各工況下鋼桁架拱橋的橫梁及拱肋撓度實(shí)測(cè)值與理論值數(shù)據(jù)見表5～6。

表5 橫梁撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

表6 拱肋撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

根據(jù)表5～6 可知，在各工況下鋼桁架拱橋的橫梁、拱肋的撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.77～0.92，殘余比均小于20%，表明該橋的結(jié)構(gòu)恢復(fù)變形能力較強(qiáng)，鋼桁架拱橋整體剛度較好。

3.3 吊桿索力數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果及分析

吊桿是系桿拱橋結(jié)構(gòu)中主要受力構(gòu)件，吊桿的受力狀況會(huì)影響到拱橋的安全運(yùn)行。 本次試驗(yàn)采用索力動(dòng)測(cè)儀對(duì)各工況下吊桿的受力狀況進(jìn)行測(cè)試，各個(gè)工況吊桿索力測(cè)試結(jié)果見圖5。

圖5 吊桿索力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比圖

由圖5 可知，不同工況下，吊桿索力實(shí)測(cè)增量與有限元模型計(jì)算的理論值基本一致，校驗(yàn)系數(shù)在0.82～0.94，表明該橋的吊桿受力狀況較好，滿足橋梁的整體要求。

4 結(jié)語

本次鋼桁架拱橋靜力試驗(yàn)采用結(jié)構(gòu)受力最不利原則進(jìn)行，測(cè)試了該橋在不同工況下靜力特性的響應(yīng)。 本次靜力試驗(yàn)荷載效率系數(shù)在1.03～1.05，能夠較好地模擬鋼桁架拱橋在最不利狀況下的靜力響應(yīng)。 通過對(duì)該橋的靜力特性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1）該橋的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.76～0.96，卸載后各測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)歸零情況較好，最大殘余比4.58%，均滿足規(guī)范限值低于20%的要求， 說明該橋的強(qiáng)度、剛度均達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。

（2）該橋的撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.77～0.92，最大撓度值為22.6 mm，未超過L/600 的規(guī)范要求，殘余比均小于20%， 表明該橋的結(jié)構(gòu)恢復(fù)變形能力較強(qiáng)，鋼桁架拱橋整體剛度較好。

（3）索力校驗(yàn)系數(shù)在0.82～0.94，吊桿索力實(shí)測(cè)增量與有限元模型計(jì)算的理論值基本一致，表明吊桿的受力狀態(tài)比較理想。

（4）該橋靜力測(cè)試結(jié)果表明，鋼桁架拱橋整體受力較好，結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)、承載能力及剛度均滿足設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景。