提篮式钢箱拱桥成桥荷载试验分析及研究

2016-04-15池毓伟

福建交通科技 2016年1期

关键词：吊杆拱桥挠度

■池毓伟

(福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州　350004)

提篮式钢箱拱桥成桥荷载试验分析及研究

■池毓伟

(福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州350004)

摘要为了研究某钢拱肋提篮式拱桥的结构性能与受力状况，选用桥梁静载、动载试验对桥梁静力与动力性能进行实桥检测，结果表明，在公路-I级荷载作用下，该桥的挠度和应变校验系数均小于1.00；桥梁的一阶自振频率为1.80Hz，大于理论计算的1.39Hz，结构的实测振动曲线与理论计算值基本相符。表明该拱桥结构受力性能良好，结构实际刚度大于设计刚度。

关键词提篮式钢箱拱桥荷载试验结构刚度振型受力性能

1　工程概况

某桥梁主桥上部结构采用钢拱肋提篮式拱桥，桥跨布置形式为7×20m(预应力空心板)+82m钢箱提篮拱桥+7×20m(预应力空心板)。设计汽车荷载等级为公路-I级。

主桥拱肋截面为箱型截面。主拱风撑采用连体式造型风撑，造型新颖。桥面系为中横梁体系，混凝土桥面板搁置在横梁上，横梁通过吊杆与主拱相连，全桥共布置15对吊杆。桥面设置双向2％横坡，混凝土桥面板厚度为20cm，主桥桥面铺装形式为BBC沥青防水层+ 10cm沥青混凝土桥面铺装。主桥下部结构采用桩柱式桥墩，基础为钻孔灌注桩基础，桩基础直径为1.2m(详见图1)。

2　有限元数学模型建立

本桥采用MIDAS软件建立结构的有限元模型，共建立1349个节点，2478个单元。模型采用30个只受拉桁架单元模拟拱肋吊杆，2256个梁单元模拟拱肋、系梁和横梁等，192个板单元模拟混凝土桥面板。吊杆长度按钢丝长度建模，吊杆与系梁和拱肋之间采用刚臂连接。该钢拱肋提篮式拱桥有限元计算模型如图2：

3　动静载试验

根据试验荷载的作用性质，桥梁荷载试验分为静载试验和动载试验。桥梁结构的静载试验和动载试验，虽然在试验目的和内容上都很不相同，但对承受以车辆荷载为主的桥梁结构来说，这两种性质的荷载试验对于全面分析和了解桥梁结构的工作状态是一样重要。

3.1检测内容

本桥静动载试验的检测内容包括：桥梁控制截面在试验荷载下的挠度；桥梁控制截面在试验荷载下的应变；监测拱桥在加载状态下的吊杆力增量情况；测试桥梁的自振特性；桥面冲击系数和动挠度。

3.2检测仪器与设备

依据检测目的与检测内容，试验所需主要检测仪器与设备如表1所示。

表1　主要检测仪器和设备

3.3测点布置

3.3.1应变测点

依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)的规定，参照桥梁在设计活载作用下的内力包络图，确定拱肋、系梁的跨中截面、北侧四分点以及北侧拱脚位置为应力测试断面，断面位置如图3所示。拱肋每个截面布置12个测点，系梁每个截面布置8个测点，如图4所示。

3.3.2挠度测点

根据现场实际条件，为了分析该桥在试验荷载作用下的挠度情况，确定拱肋、系梁四分点及跨中断面为挠度测试断面，如图5所示。拱肋、系梁每个截面各布置2个测点，如图6所示。

3.3.3吊杆力增量测点

静载试验加载过程中，选择对加载侧跨中断面吊杆力增量进行测试和数据分析。测试吊杆位置见图7，共3根吊杆，包括：EZ7～EZ9。

3.4静载试验

3.4.1试验工况

本桥静载试验分三种加载工况：

工况1：顺桥向按拱肋及系梁跨中截面内力最不利位置布载，横桥向分为正载和偏载。

工况2：顺桥向按拱肋及系梁四分点截面内力最不利位置布载，横桥向分为正载和偏载。

工况3：顺桥向按拱脚及系梁指点截面内力最不利位置布载，横桥向分为正载和偏载。

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》的规定，各控制断面静力荷载试验效率应介于0.95～1.05之间。经计算，现场加载采用6辆300kN的三轴重车，静力荷载试验效率见表2。

表2　关键加载工况下关键断面效应的荷载试验效率

3.4.2加载过程控制

在试验过程中，为了保证桥梁的安全和试验的顺利进行，对加载过程进行如下控制：

(1)正式加载试验前，应对加载桥梁进行预加载。预加载的目的是使结构能进入正常工作状态，同时检查整个试验、测试系统能否正常运行。

(2)正式加载试验时要求分级加载，对结构变位或应变较大，应实时绘制测点变位或应变与荷载的关系曲线，分析结构工作状态，保证结构安全。

(3)发生下列情况时应停止加载：①控制测点应力、变位(或挠度)已达到或超过计算的控制应力值时；②结构裂缝的长度或缝宽急剧增加，或新的裂缝大量出现，或缝宽超过允许值的裂缝大量增加时；③由于加载试验使结构出现非正常的受力损伤或局部发生损坏，影响桥梁承载能力和今后正常使用时；④量测数据不断增大且不能稳定时。

3.5动载试验

3.5.1自振特性测试

3.5.1.1测试方法

本桥自振特性的测量采用环境随机振动法。振动位移的测量传感器采用DPS型位移传感器。后续的调理器及数据采集设备分别采用VA-99低通滤波放大器以及南京安正软件公司的AZ-108数据采集箱和振动及动态信号采集、分析系统，最后通过带模态分析软件的计算机进行分析。

3.5.1.2自振特性测试的测点布置

本桥自振特性的测点布设如图8所示，测点间距为6.6m，单侧布置13个测点。

3.5.2无障碍行车试验

采用光电桥梁挠度仪检测动挠度和冲击系数，在桥面无障碍行车的情况下，用一辆载重汽车(单车总重300kN)以20km/h、30km/h、40km/h不同速度在桥面上行驶，测定在行车荷载作用下桥跨结构控制断面动挠度和冲击系数。

4　静载试验数据分析

4.1吊杆力增量测试

以东侧主拱肋跨中侧3根吊杆(EZ7～ EZ9)在东侧跨中偏载工况下的吊杆力增量测试为例，结果见表3。由表可见，EZ7吊杆力增量最大为154.2kN，吊杆增量值与理论增量值基本吻合。

表3　工况I跨中偏载时吊杆力增量实测结果表

4.2应变测试

以工况I为例，各控制截面主要测点应变理论计算值及实测值和校验系数见图9、图10。如图可见：在正载、偏载时，拱肋及系梁主要测试断面各应力测点实测值与理论计算值基本一致，测点的应变校验系数最大值为0.87，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)规定的校验系数应不大于1.00的限值要求。

4.3挠度测试

图11～图12列出了工况I和工况II下相应控制截面挠度实测值与理论计算值的比较及挠度校验系数。由图可见：各工况下，拱肋及系梁主要测试断面各挠度测点实测值与理论计算值基本一致，测点的挠度校验系数最大值为0.79，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)规定的校验系数应不大于1.00的限值要求。

4.4相对残余应变/变位

以工况II为例，静载试验各主要测点的相对残余应变/变位见图13、图14。由图可见，测试梁段应力测点的最大相对残余应变为1.1％，所有位移测点的最大相对残余变位为5.4％，相对残余应变/变位均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)规定的不超过20％的限值要求。表明在荷载试验过程中，桥跨结构处于较好的弹性工作状态，结构整体性能良好。