基于荷载试验的某三角钢拱桥结构体系性能研究

基于荷载试验的某三角钢拱桥结构体系性能研究

芮栋梁

上海临港新城建设工程管理有限公司

摘要：基于某新建空间三角下承式钢拱桥的实桥动、静载试验，开展其结构体系性能验证的研究工作。首先对钢拱桥的主要力学特性进行分析，然后提出动、静载试验方案，最后以开试验数据分析工作评估体系性能，研究的主要结论：空间三角钢拱肋以受压为主，符合一般拱桥桥型的力学特性；应变校验系数与挠度校验系数均小于1.0，残余应变与残余变位均小于20%；实测结构冲击系数高于规范计算值；结构自振频率与理论计算值相差在-1.2%~7.0%之间，误差较小；桥梁总体的静动力性能良好，但设计与养护需关注此类桥型的冲击效应。

关键词：钢拱桥；异形桥；下承式拱桥；荷载试验；受力性能

PerformanceAnalysisofaTriangularSteelArchBridgeStructureSystemBasedOnLoadTest

RuiDongLiang

（ShanghaiLingangNewTownConstructionEngineeringManagementCo.，Ltd.）

Abstract：Thebearingcapacityandnormalserviceperformanceofanewtriangularsteelarchbridgeareanalyzedbasedonthestaticanddynamicloadtests.Firstly，thestaticanddynamicloadtestschemesareputforwardbasedonthemainmechanicalcharacteristicsanalysisofthebridge.Thenbyanalyzingthetheoreticalresultsandtestdata，theperformanceofthestructuralsystemisevaluated.Theresultsshowthat：thetriangularsteelarchframeismainlyundercompression，whichconformstothemechanicalcharacteristicsofthegeneralarchbridge；Boththestrainverificationcoefficientandthedeflectionverificationcoefficientarelessthan1.0，andtheratiooftheresidualstrainandtherationoftheresidualdisplacementarelessthan20%；themeasuredimpactcoefficientishigherthanthecalculation；thedifferencebetweenthemeasuredfrequencyandthetheoreticalvalueisbetween-1.2%~7.0%，andtheerrorissmall.Thestaticanddynamicperformanceofthebridgeisgood，however，attentionshouldbepaidtotheimpacteffectforsuchbridgesatdesignandmaintenancestage.

Keywords：steelarchbridge；special-shapedbridge；staticloadtest；dynamicloadtest；mechanicalbehavior

0引言

随着桥梁建造技术的逐步发展，对桥梁美观方面的需求逐渐增加，尤其是市政桥梁，作为城市靓丽的风景线，推动了桥梁景观设计发展，涌现了大批创新桥型，也带来许多待研究明确的桥梁力学方面的问题。

拱桥由于其适用跨径大、线形优美，是市政桥梁主要采用的形式之一，但一般以钢筋混凝土上承式拱桥、钢管混凝土系杆拱桥、钢拱桥的应用居多[1]。近年来，随着钢材应用的普及、钢构件的加工技术成熟，钢与混凝土组合桥梁结构逐步发展[2]，拱桥结构体系出现较多的创新，设计并建造了一大批异形钢与混凝土的组合拱桥[3]。

由于杆件空间布置形态复杂、桥面普遍超宽具有横纵双向受力特征，加之钢与混凝土构件刚度存在巨大的差异，异形拱桥的受力特性往往比较复杂，需要对结构体系的合理性开展精细论证[4-6]。

采用荷载试验的方法对拱桥性能进行论证最为直观，能够充分反映桥梁构件以及体系的工作状态[7、8]，也为设计以及养护提供直接依据。

本文以某空间三角钢拱桥为背景，基于荷载试验，结合理论分析，研究拱肋、主梁受力特征，评估静力、动力性能，提出设计以及维护建议，为此类桥型的应用推广提供参考借鉴。

1工程概况

1.1桥梁设计

背景工程桥梁位于城市主干路，不仅需要满足交通功能，同时对景观效果要求较高。通过全面论证，主桥采用了1孔跨径75m、桥面总宽50m的三角钢拱桥的设计方案，采用钻孔灌注桩基础，设计荷载为城-A级，桥梁立面布置见图1所示。

主桥与河道基本正交，拱肋采用菱形钢箱结构，两边长为1.48m×1.674m，边夹角为72.954°，拱架桥面以上的高度为20m，在纵横双向上整个拱架都呈三角形结构，拱架与主梁在端部刚接；主拱设置吊杆，吊杆在拱上的顺桥向间距约2m，在梁上的顺桥向间距为10m。吊杆采用平行钢丝吊杆；主梁采用三箱九室的预应力混凝土箱梁，梁高2.25m~2.65m，两侧边箱梁顶面宽度为16m，中间箱梁顶面宽度为18m，按全预应力混凝土构件设计，箱梁之间横隔板每隔5.25m设置一道，桥梁侧面布置见图2。

图2桥梁侧面布置图（单位：m）

1.2桥梁施工

桥梁的施工采用了如下步骤：

（1）搭设支架，在支架上现浇预应力混凝土箱梁，并张拉预应力；

（2）在主梁跨中搭设支架，采用履带吊依次安装钢拱架的拱脚节段、中部节段以及顶部节段，拱架安装见图3；

（3）拆除主梁跨中支架，采用汽车吊安装平行钢丝吊杆；

（4）按照从中间向两侧、右幅向左幅的顺序对吊杆进行一张；

（5）按照从两侧向中间的顺序对、左幅向右幅的顺序对吊杆进行二张。

（6）施工桥面系，拆除支架。

图3拱架安装示意图

1.3体系关键问题

本桥设计景观效果较好，施工也采用了便利的装配式方法，具有一定建造优势，但也带来了受力方面的不确定性问题。

将传统的曲线拱改为三角拱，拱肋可能产生受弯情况，增加了失稳破坏的可能性；其次，本桥主梁体系为多箱多室结构，在车辆荷载作用下，主梁之间存在荷载传递效应，在拱肋及吊杆影响下，荷载的横向分布规律更为复杂；再次，边箱主要受边钢拱架影响，中箱受中间两个拱架影响，拱架之间又产生荷载效应的传递，结构的总体刚度在空间上呈现较高的不均匀性，同时影响了结构静力性能与动力特性的表达。

2设计力学状态

采用空间杆系有限元分析方法，模拟施工过程，对桥梁的设计力学状态进行分析。

2.1计算模型

采用MidasCivil建立全桥有限元模型，模型包含980个单元、912个节点，见图4所示。

模型中主要考虑的荷载有自重、预应力、索力、二期、车道荷载、整体升降温、主梁梯度温度等。

图6承载能力极限组合状态边拱肋的内力包络图

承载能力极限组合状态下的拱肋内力包络见图6所示，可见在各荷载最不利组合对拱肋弯矩影响不大，拱肋仍以受压为主，内力计算结果进一步验证了如上结论。

收缩徐变3650天恒载作用下，考虑预加力影响，主梁受力接近于多点弹性支撑梁，主梁在拉索作用位置表现为负弯矩，在拉索之间表现为正弯矩，弯矩分布见图7，该力学特征与常规拱桥纵梁相同。

图9前三阶振型

3荷载试验方案

采用静载与动载试验的方法，对结构体系性能进行验证。

3.1静载试验方案

拱圈主要承担恒载作用，活载造成的内力增量占比较小，而主梁则活载效应影响程度较高，故静载试验以主梁受弯性能测试为主，主要考虑三种测试工况：（1）跨中最大受弯横桥向对称加载工况；（2）跨中最大受弯横桥向偏载加载工况；（3）四分点最大受弯横桥向对称加载工况。三种工况的车辆布载见图10所示。对实际车辆轴重测试表明，加载效率在0.82~0.88之间。

图11传感器及测点布置（单位：m）

主梁选取1/4断面以及1/2断面进行应变测试，由于加载后主梁产生正弯矩效应，应变片主要布置在底面以及靠近底面的侧面；拱肋选取拱脚、拱肋中央进行应变测试，应变片布置在顶面以及底面中央。

主梁选取1/4断面、1/2断面以及3/4断面进行挠度测试，拱肋选取拱脚、拱肋中央以及拱顶进行挠度测试，采用全站仪对标记点高程进行记录。关注所有吊杆力在加载过程中的增量，采用振频法进行测试。各测试断面、应变传感器布置以及挠度测点布置情况见图11所示。

3.2动载试验方案

动载试验主要进行了跑车试验与跳车试验。

1）跑车试验设计为，在桥面无任何障碍的情况下，用1辆静载试验载重汽车（总重约320kN）以30km/h的速度驶过桥跨结构激振桥梁。

2）跳车试验设计为，在桥面无任何障碍的情况下，用1辆静载试验载重汽车（总重约320kN）分别以20km/h和30km/h车速驶过设置在拱桥跨中截面的人工障碍物（断面为弓形的底宽30cm，高5cm的长条木板），模拟桥面坑洼，记录所有测点的动应变时程信号，评估桥梁可能承受由桥面不平整带来的不利效应。

3.3自振特性试验方案

桥梁自振特性的测量采用环境随机振动法，无需对桥梁进行专门激励，只需采用高灵敏度的拾振器即可。本桥拾振器纵向共布置8个，纵桥向按照桥跨六分位置等间距布置，横桥向则布置在正中，纵向位置见图12所示。

表2应变测试结果（单位：με）

自振特性试验捕捉的振动频率见图13所示，与理论计算频率的对比见表5所示。

测试结果与理论计算结果的偏差在-1.2%~7%之间，总体较小，验证理论计算的具有较高的精度，也表明桥梁性能状况良好。

根据《公路桥涵设计通用规范》[10]，当结构基频位于1.5~14Hz之间时，可根据采用式1计算冲击系数：

μ=0.1767lnf-0.0157（式1）

以测试基频带入计算得到的冲击系数为0.096，与4.2节实测冲击系数0.220相比偏小，误差达到-56.6%。此类桥型设计应关注冲击系数可能存在的误差，建议对桥梁预留一定的安全富余。

5结论

以理论分析结合荷载试验方法对某异形空间三角钢拱桥开展结构体系性能研究工作：

1）静力分析以及自振分析表明，钢拱肋总体上仍以承压为主，符合一般拱桥的受力规律，且主要承受恒载作用，活载造成的内力增量相对较小；主梁则以受弯为主；背景工程桥梁属于典型的拱梁协作体系桥梁；

2）设计三角钢拱桥的静载试验、动载试验以及自振特性试验，总结了主梁跨中、主梁四分点、拱脚、拱肋中间以及拱顶等关键断面的测试方法；

3）静力试验表明，结构的挠度以及应变校验系数在0.5~0.97之间，残余变形最大为16.7%，残余应变最大比例为11.8%，结构静力性能较好；

5）动力试验表明，结构正常行车状态下冲击系数为0.220，大于基于基频计算的理论值，设计阶段需考虑该效应可能存在的估计偏差；桥面跳车产生的冲击力较大，冲击系数可达到0.539~0.709，养护中应关注桥面维护关注；

6）自振特性试验表明，结构基频与理论计算吻合较好，结构的总体动力性能良好。

三角钢拱桥具有较好的美观性能，力学特征明确，试验验证性能较好，具有推广应用的空间，研究结论可以为此类结构的设计、性能验证以及养护提供参考。

参考文献：

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[10]中华人民共和国交通部.公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2015）[S].人民交通出版社，2015.