高文博 朱瑞允

(1.港珠澳大桥管理局，广东珠海 519095; 2.安徽省高速公路控股集团有限公司，安徽合肥 230022)

0 引言

新建桥梁通车之前需根据相关规范对其进行荷载试验，以确定桥梁结构的实际工作状态与其在设计荷载作用下的结构响应是否一致。荷载试验结果是对桥梁的施工质量可靠性进行综合评估的重要依据与最有效手段［1-4］。

本文以某新建下承式混凝土刚性系杆拱桥为研究背景，建立该桥的空间梁单元数值模型，通过计算得到其在车道等效静力荷载作用下关键截面的应力和挠度响应值，通过与试验实测值比较分析，评定该新建桥梁结构的承载能力和使用性能。

1 工程概况

下承式混凝土刚性系杆拱桥，计算跨径90 m，拱肋计算矢高为18.0 m，计算矢跨比为1/5，考虑两墩顶高差影响的拱轴线方程为y=(4fx/L2)(L－x)+0.275x。拱肋采用普通钢筋混凝土矩形实体截面，截面高为1.8 m，宽为1.5 m。拱肋中心距为14.75 m，通过设置于拱顶位置的横撑连接。主梁采用预应力钢筋混凝土结构，由系梁、桥面板、端横梁、中横梁所组成。系梁标准截面为实心矩形截面，截面高为1.7 m，宽为1.6 m;桥面板厚度为25 cm;端横梁截面高度为2.45 m，宽度为4.4 m;中横梁间距为5.0 m，截面高度为1.45 m，宽度为0.6 m。系杆拱桥见图1。

2 仿真分析

该桥主梁为系梁、桥面板、端横梁、中横梁拼接而成的桥面系，将每一片系梁看成是一根独立的梁，横向采用连接单元进行连接，可以准确的反映该桥的空间结构行为［5］。

图1 下承式混凝土刚性系杆拱桥

1)有限元数值模型。依据交通部标准JTGB01-2003公路工程技术标准，JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范和JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范相关条文规定，采用有限元程序Midas 2010建立有限元数值模型。计算模型见图2。

图2 下承式混凝土刚性系杆拱桥有限元数值模型

2)荷载效率系数。采用上述有限元数值模型对下承式混凝土刚性系杆拱桥进行分析，得到设计荷载与试验荷载作用下结构响应值的比值，即荷载效率系数(见表1)。

表1 各试验工况荷载效率系数

由上表可知，各试验工况荷载效率系数基本处于0.8～1.05范围之内，符合YC4-4/1982大跨径混凝土桥梁的试验方法要求。

3 测试截面及试验测点布置

3.1 应变测点

根据结构内力包络图确定拱肋拱脚截面、1/4截面、跨中截面、3/4截面为拱肋主要测试截面，主梁端部变截面、跨中截面为系梁主要测试断面。应变测试断面及测点布置如图3，图4所示。

图3 应变测试截面布置（单位：cm）

图4 截面应变测点布置（单位：cm）

3.2 挠度测点

依据活载位移图和挠度包络图确定拱肋的4分点和系梁的8分点断面为挠度测试断面，每个断面在桥梁上下游护栏内侧及主梁底面位置布设挠度测点，挠度测试截面与挠度测点布置如图5，图6所示。

图5 挠度测试截面布置（单位：cm）

图6 挠度应变测点布置（单位：cm）

3.3 吊杆索力增量测点布置

各测试工况下，选择加载位置附近3对吊杆进行索力增量测试。

4 试验测试结果与分析

4.1 挠度测试结果及分析

限于篇幅，文中仅给出拱顶截面最大正弯矩、最大竖向位移中载工况下的试验测试结果及其与理论值的对比(见表2，表3)。

表2 中载工况拱肋挠度实测值与理论值比较

表3 中载工况系梁竖向位移实测值与理论值比较

4.2 应力测试结果及分析

拱顶截面最大弯矩(竖向位移)中载工况上游侧拱肋测点应力实测值与理论值比较见表4。

4.3 吊杆索力测试结果及分析

拱顶截面最大弯矩(竖向位移)中载工况控制吊杆索力实测值与理论值比较见表5，图7。

表4 中载工况上游侧拱肋测点应力实测值与理论值比较

表5 中载工况控制吊杆索力实测值与理论值比较

图7 吊杆索力实测值与理论值比较

5 结语

1)各试验工况作用下，结构位移、应力实测值与理论值变化趋势一致，表明文中所采用的有限元数值模型能准确反映结构在荷载作用下的真实响应;

2)该桥进行的各工况荷载试验的荷载效率系数均处在0.76～1.02之间，试验实测结果能准确反映桥梁结构的实际受力状态;该桥在设计荷载作用下各主要受力机构均处于安全状态，可以满足实际使用要求;

3)荷载作用下拱肋最大竖向挠度－11 mm，系梁最大挠度+12 mm，远小于规范l/800=90 000/800=112.5 mm的规定，该桥的刚度满足设计要求且有一定的安全储备。卸载后，桥梁结构残余变形较小，表明在试验荷载作用下，结构均处于弹性工作范围;

4)试验荷载作用下，结构应力实测值与理论值变化趋势一致，且实测值均小于理论值，桥梁结构的强度满足规范要求，并有一定的承载潜力。

［1］谌润水，胡钊芳.公路桥梁荷载试验［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］YC4-4/1982，大跨径混凝土桥梁的试验方法［Z］.

［3］谭冬莲，宁 立，游金兰.预制预应力混凝土空心板梁施工现场的静载试验研究［J］.筑路机械与施工机械化，2007，24(4)：51-53.

［4］张秋陵，肖光宏.奉节长江大桥成桥荷载试验研究［J］.世界桥梁，2009(1)：46-48.

［5］E.C.汉勃利.桥梁上部结构性能［M］.郭文辉，译.北京：人民交通出版社，1982.