王国安，李德慧

(1.石家庄铁道大学土木学院，石家庄 050043;2.江西交通科学研究院，南昌 330036)

1 工程概况

章江大桥位于江西赣州，连接西岸章江新城和东岸河套老城，由西岸引桥，章江主桥、东岸引桥组成，全长1 352 m，设计荷载为城-A级，双向六车道。章江大桥的引桥为预应力混凝土连续箱梁;主桥采用了3跨飞燕式异型拱桥的结构形式。主桥的总长为254 m(48 m+158 m+48 m)，桥面总宽达到了34 m(2.75 m人行道+11.75 m行车道+5 m拱肋区+11.75 m行车道+2.75 m人行道)，下部构造4个桥墩，20号、23号为交接墩，21号、22号为主墩横桥向V形框架结构、墩顶设系梁连接，桥墩基础采用梅花形布置群桩基础。主桥结构如图1所示。

图1 章江大桥主桥结构立面(单位:cm)

章江大桥主桥为飞燕式异型拱桥，主跨达158 m，主拱钢管直径为1.8 m，钢管厚度为26 mm。章江大桥工程总投资3.1亿元，2007年11月29日开工建设，于2010年1月31日竣工。鉴于该异型钢管拱桥跨度和主拱钢管直径都较大，为了获取该飞燕式异型拱桥真实的工作状态和实际的受力性能，竣工后对大桥进行了静、动载试验和相关分析。

2 试验目的与测试内容

章江大桥主桥是国内少见的大跨度飞燕式异型拱桥，受力比较复杂，因此必须在成桥后通过试验测定桥梁在荷载作用下的力学响应，并进行分析对比理论结果和试验数据，判断试验荷载下结构的静力受力性能和动力性能，进而判定在实际使用状态下，大桥的承载能力是否符合设计要求［1～3］，从而为桥梁的正常使用提供指导，并为同类桥梁的设计、施工和验收评定提供参考。

静力荷载试验测试内容主要是测试桥梁控制截面在试验荷载下应力和变形;而动力荷载试验研究内容主要有:竖向动位移、动应变、测定桥梁的冲击系数、自振频率、阻尼特性等参数［4～5］。

3 静力加载试验

3.1 静力加载方案设计

为了合理布置测点和确定试验荷载车辆的布置，在加载试验前对该异型拱进行了有限元建模计算，建模时考虑要满足小变形假定，所以未计入普通钢筋及预应力钢筋对截面惯性矩增强的作用，且未考虑收缩徐变以及混凝土材料非线性对结构的影响［6～7］，钢箱梁和混凝土箱梁采用Shell63单元，主拱和斜拱采用beam44单元，吊杆采用Link8单元模拟，有限元计算模型如图2所示。经过分析研究，静载试验荷载采用18辆350 kN左右的重车(选用了自卸重车)，且试验前对桥梁进行了预压，经计算本次试验荷载效率见表 1［8］。

图2 飞燕式异型拱有限元模型

表1 静载试验荷载效率

从表1可以看出，试验加载效率满足《大跨度混凝土桥梁试验方法》要求。静力加载试验主要是为了测试结构控制截面的静应变、静挠度，判断桥梁的实际工作状况是否符合设计要求或处于正常受力状态，因此必须合理布置测点。经过有限元计算分析，最终确定了如下的应变测点布置。在主跨L/2的钢箱梁截面共布置28个测点:顶板和底板各布置9个测点，左右腹板各布置5个测点，如图3(a)所示。在边跨L/2截面和21号墩顶的混凝土梁截面共布置15个测点:顶板和底板各布置5个测点，第三片腹板沿腹板高度布置5个测点，如图3(b)所示。而挠度测点的布置如下:在主拱与吊杆相交主拱的中心线位置布置16个菱镜，测定主拱的变形;在21、22号墩的拱脚位置设置1个拱脚位移观测点，测定拱脚水平位移;另外，沿顺桥方向还布置了3列挠度测点(每列17个测点)，左右列位于行车道边缘，中列位于桥面中心线位置［10］。

图3 静载应变测点布置

3.2 静力试验结果

根据该飞燕式异型拱桥的结构形式，在试验过程中采用以下6种工况进行加载:主跨跨中截面钢箱梁最大正弯矩对称加载、外侧偏载;边跨跨中控制截面主梁最大正弯矩对称加载、外侧偏载;21号墩墩顶截面最大负弯矩对称加载、外侧偏载。由于试验中采用了偏载和对称2种加载方式，因而可以同时测试桥梁的偏载工作性能和对称工作性能。从实测结果可以得出，1～6工况下加载试验得到的应力和挠度实测值均小于理论计算值，校验系数均大于0.8，且应力和挠度的变化规律与理论分析吻合良好，这表明测点的布置方案是科学合理的，有限元分析得到的结果也是符合桥梁结构实际工作状态的，因篇幅所限这里只给出了工况2(主跨跨中截面钢箱梁最大正弯矩外侧偏载)下，主跨钢箱梁跨中截面梁底的应力和桥面挠度的测 试结果［8］，如表2所示。

表2 工况2下主跨钢箱梁跨中截面测点测试结果

4 动力加载试验

4.1 动力加载方案设计

为了测试飞燕式异型拱桥的动力性能，经过分析研究，试验共考虑了如下的4种试验工况。(1)跑车试验:在桥面无任何障碍的情况下，用2辆载重汽车(左右幅各1 辆)分别以10、20、30、40、50 km/h 匀速通过桥梁，测定试验桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力响应(动位移及动应变时程曲线);(2)跳车试验:2辆载重汽车(左右幅各1辆)在边跨L/2截面和中跨L/2截面处各设置高15 cm的障碍物，以车速5 km/h驶过障碍物，通过障碍后立即刹车，测定桥跨结构在跳车作用下的动力响应(动位移及动应变时程曲线);(3)刹车试验:2辆载重汽车(左右幅各1辆)以20 km/h在中跨L/2截面处立即斜向刹车，测定试验桥跨结构在刹车作用下的动力响应(动位移及动应变时程曲线);(4)模态试验:测量桥梁固有振动(自振频率、振形、阻尼比)。

激振试验(不同车速跑车、跳车、急刹车)试验在桥上总共布置了如下的8个传感器和4个动应变测点:48 m边跨的L/2截面布置竖桥向传感器;在158 m中跨的L/2截面处布置竖桥向、横桥向、纵桥向传感器;在中跨L/4和3L/8截面处布置竖桥向、横桥向传感器;此外，还在中跨L/2截面钢箱梁的左幅顶板、底板和右幅顶板、底板处分别布置了动应变测点。测点的总体布置如图4所示。采用模态振动试验方法来测量桥梁结构的振动参数。模态试验是通过自然激励作用下桥梁结构的振动速度信号分析，测量桥梁结构固有振动(自振频率、振型、阻尼比)，模态振动试验共布置了106个测点:中间的小拱圈上均布了18个测点，在两侧的大拱圈各均布了44个测点［9～10］。

图4 动力试验测点布置示意

4.2 动力试验结果

动力试验采用如上所述的激振试验(不同车速跑车、跳车、急刹车)，表3所列数据为跑车试中在各车速下各测点的最大动位移值［8］，同时也测得了边跨跨中和中跨跨中截面动位移时程曲线和动应变时程曲线，因篇幅所限这里只给出了50 km/h速度下的动位移时程曲线和动应变时程曲线，如图5所示［8］。

表3 跑车试验工况下的实测最大动位移值 μm

在边跨和中跨L/2截面处，试验车以5 km/h的刹车试验，以及20 km/h下中跨L/2截面处刹车试验，测得测点的动位移见表4［4］。

表4 跳车试验工况下的实测最大动位移值 μm

图5 50 km/h下跑车试验结果

当车辆以一定速度通过桥跨或在跨中以一定的速度越障时，将引起桥梁的振动，从而使桥梁结构在静应力的基础上承受较大的动应力，动挠度也比相同条件的静载挠度大。这种动荷载对应力和挠度增大的影响，通常采用冲击系数来衡量。冲击系数的大小综合反映了桥跨结构的动力性能、桥面平整度及运行车辆的动力特性、车速等因素的影响。因此冲击系数往往成为确定车辆载荷对桥梁动力作用的重要参数。

动载试验中测试动应变时，产生的冲击系数(1+μ)的计算公式如下

式中 Smax——动载作用下该测点最大动应变值;

Smean——相应的静载荷作用下该测点最大应变值，其值可由动应变曲线求得:Smean=(Smax+Smin)/2，其中，Smin为与 Smean相应的最小应变值。各种工况下实测冲击系数［8］见表 5。

表5 各种工况下实测冲击系数

从表5可看出，当车速在0～50 km/h时，试验桥跨冲击系数随着车速增大而增大，且刹车工况下冲击系数测值比跑车工况(0～50 km/h)大。依据《城市桥梁设计荷载标准》(CJJ77—98)，该桥边跨冲击系数的设计值为1.156，中跨冲击系数的设计值为1.100，故桥梁在10～50 km/h车速跑车工况下实测冲击系数均小于设计值，刹车工况下实测冲击系数略大于设计值，表明桥面比较平顺。

在进行加载试验前对飞燕式异型拱桥建立了有限元分析模型，3个拱圈采用beam44梁单元模拟;吊杆采用Link8单元模拟，且拉索考虑了防腐护套质量;主梁采用Shell63板单元模拟，截面取实际截面参数，通过调整主梁材料密度来考虑桥梁二期恒载对动力性能的影响。成桥内力状态以施工监控报告为准进行调整，使模型的成桥内力状态与施工监控报告描述吻合。大桥实测振动频率与理论计算频率及对应阻尼比结果见表6［8］，大桥实测各阶振动与理论振动结果如图6所示，中跨跨中截面振动频谱分析如图7所示［8］。

表6 实测各阶实测频率与理论计算频率

图7 中跨L/2截面振动频谱分析

5 结论

通过对该异型拱桥试验数据进行分析，得到结论如下。

(1)对该大跨飞燕式异型拱桥试验，观测到试验跨段最大加载状态下结构关键部位的力学反应，并与理论计算进行比较，可以判断试验跨段结构受力变形规律及内力分布规律与理论吻合较好;且在试验过程中混凝土梁部分也见出现肉眼可见的裂缝，这表明桥梁静力性能较好。然而试验同时表明该桥存在一定的偏载效应，故在运营过程中，尽量避免出现长时间单侧满载情况发生。

(2)动载试验结果表明:桥跨在各车速下的冲击系数均小于设计限值，表明该飞燕式异型拱整体上动力性能比较好，但在刹车实测冲击系数略大于设计值;另外从实测数据卡已看出跳车动位移更大。因此建议实际本桥使用中，过桥车辆桥上行驶时要速度均匀，载重合适，防止急刹车情况过多出现，这样有利于桥梁保持较好的技术状态。

桥梁结构各阶振动实测阻尼比为0.249%～2.536%，在正常范围内，说明大桥结构质量分布与截面设计合理，结构无明显的严重病害;且大桥主拱侧弯及面内竖弯各阶实测振动频率与理论频率的比值大于1.10，说明大桥主拱侧向抗弯刚度及桥梁结构整体竖向抗弯刚度达到设计要求。

(3)本桥静力、动力试验数据，是桥梁竣工实测基础数据，试验效果较好，可作为桥梁“指纹”基础技术资料使用，日后可作为本桥健康监测桥梁状态判定基准和本桥长期使用受力性能下降分析的基础对比资料。

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