中承式钢管混凝土拱桥静载实验及桥况分析

中承式钢管混凝土拱桥静载实验及桥况分析

杨永超

中国雄安集团安全质量部 河北保定 071000

摘 要: 对一座运营10年的中承式钢管混凝土拱桥开展静载实验，通过静载实验结果及有限元分析结果，进行了该钢管混凝土拱桥的安全评估，评定其承载力是否满足设计、使用要求。静载实验主要从荷载挠度、应力变化两个方面着手研究，系统介绍了测点布置、加载工况、实验数据整理后分析得出，该桥钢管混凝土拱肋受力基本正常，但刚度有所削弱，拱脚处应力规律差，横梁受力状态超出设计能力，桥面板局部受力较大。评估结果表明需要采取措施加固横梁刚度及强度，改善桥面板平整度，以便桥梁健康运营。

关键词: 荷载试验 测试 有限元分析 钢管混凝土拱桥

一．工程概况及计算模型

某钢管混凝土拱桥主桥采用（30+100+30）m三跨连续自锚式钢管混凝土拱桥，两端各布置一孔30mT梁，桥梁全长220m。横桥向左、右幅分开修建，两幅桥间距为7m，主拱肋采用中承式双肋悬链线无铰拱，计算跨径100m，计算矢高22.5m，矢跨比约为1/4.444，拱轴系数m=1.5，k=0.962。两片拱肋的中心距离为25.4m。主拱圈断面采用上下两根钢管和其间的缀板组成的哑铃形组合断面，上下钢管、缀板内均填充C50级补偿收缩混凝土。边拱拱肋采用上承式双肋悬链线半拱。桥面板采用C40钢筋混凝土结构，分块预制，吊装后在纵、横梁处现浇板间接缝。拱桥立面（图1）

该桥的设计荷载等级为城-A级；根据桥梁的结构特点，基于程序Midas Civil，采用有限单元法进行单元划分，建立有限元模型进行分析计算。计算模型（图2）

图1 钢管混凝土拱桥立面示意图（单位：cm）

图2 结构计算模型

二．试验概述

桥梁荷载试验目的是为了解结构在荷载作用下的实际工作状态，综合分析判断桥梁结构的承载能力。桥梁结构静力荷载试验主要是通过在桥梁结构上施加与设计荷载或使用荷载基本相当的外载，采用分级加载的方法，利用检测仪器测试桥梁结构的控制部位与控制截面在试验荷载作用下的挠度、应力（应变）变化等特性的变化，将测试结果与桥梁结构按相应荷载作用下的计算值与有关规范值作比较，检测桥梁目前的实际承载能力，作为桥梁承载能力的基础数据从而评定桥梁结构的承载能力。

主桥静荷载试验内容：

① 主梁及拱肋关键断面应力检测：检测在试验荷载作用下结构关键断面的应力情况；

② 主梁及拱肋关键断面变位检测：检测在试验荷载作用下结构关键断面的变位情况；

对主桥选用6辆重350kN的加载车进行加载，测试相应断面的挠度、应力。应变测试采用电阻应变片；主拱位移测试采用全站仪；主桥主梁挠度测试采用电子水准仪；

二．测点布置

该桥由结构完全相同的独立的两幅桥组成,每幅桥是对称结构,因此每幅桥只选择半跨布置测点

（1）应变测点布置

在主拱、边拱拱脚测试截面正负弯矩处，以及边拱H2梁处最大弯矩截面布置应变测点（图3）

图3 应变测点布置

主拱跨中及1/4跨应变测点布置（图4）

图4主拱跨中及1/4跨应变测点布置

（2）挠度点布置

在主拱的跨中、1/4跨及3/4跨处布置位移测点，桥面挠度测点布置（图5,6）

图5位移测点布置

图6 桥面挠度布置图

三、实验工况

根据设计荷载和试验荷载计算结果,考虑桥梁实际使用荷载特点,选择6种最不利荷载工况进行静载试验,试验荷载加载工况，各工况见表1. 为确定各种工况相应的最不利等效荷载,采用MIDAS软件首先计算各控制截面的影响线,再按设计要求汽超-20、挂-120设计可变荷载,求出各控制截面相应的最大应力，按影响线采取等效加载方式确定实际加载车辆的平面位置确定各控制截面不利荷载位置.试验车辆统一采用350kN重车,标准轴重及轴距符合规范要求。加载效率见表1.

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）的规定（以下简称《评定规程》），静载试验效率为：

式中： ——静力试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制界面内力、应力或变位的最大计算效应值； ——检算荷载产生的同一加载控制截面内力、应力或变位的最不利效应计算值； ——按规范取用的冲击系数； ——静力试验的荷载效率

表1 各加载工况实验效率

工况1：主拱拱顶截面最大弯矩工况车辆布置（图7）

图 7 主拱跨中截面最大弯矩工况加载车辆布置平面图（单位cm）

工况2：主拱3#轴处拱脚最大正弯矩工况车辆布置（图8）

图8 主拱拱脚截面最大正弯矩工况加载车辆布置平面图（单位cm）

工况3：主桥1/4拱截面最大弯矩工况车辆布置（图9）

图9 主拱1/4截面最大弯矩工况加载车辆布置平面图（单位cm）

工况4：主桥3#轴线处拱脚最大负弯矩工况车辆布置（图10）

图10 主拱拱脚截面最大负弯矩工况加载车辆布置平面图（单位cm）

工况5：主桥边拱最大正弯矩工况车辆布置（图11）

图11 边拱最大正弯矩工况加载车辆布置平面图（单位cm）

工况6： 边拱拱脚处最大负弯矩工况加载车辆布置（图12）

图12边拱拱脚处最大负弯矩工况加载车辆布置平面图（单位cm）

四、试验结果分析

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）的规定（以下简称《评定规程》），为了检验试验荷载作用下各断面测点的效应实测值与相应的设计理论计算值的差异，一般采用测点效应校验系数ζ进行检验：

ζ=Se/Ss

式中：Se——试验荷载作用下主要测点的实测弹性变位或应变值；Ss——试验荷载作用下主要测点的理论弹性变位或应变值。

测点效应校验系数ζ 是评定结构工作状况及确定桥梁承载能力的一个重要指标，校验系数ζ不大于1.0时，代表桥梁的实际状况要好于理论状况。

⑴ 主拱及边拱应变校验系数

主拱拱顶、1/4跨拱顶、拱脚，边拱拱肋及拱脚的应变实测值及校验系数见表2

表2 主拱及边拱各测试截面应变测试结果

由以上测试结果可以得出，大部分测点均小于1，该桥钢管混凝土拱肋受力基本正常，但刚度有所削弱，拱脚处应变检验系数大于 1.0，局部超过理论计算值。

（2）主拱拱顶、1/4跨、拱脚，边拱拱肋的挠度实测值及校验系数见表3表3 主拱及边拱各测试截面位移测试结果

由以上测试结果可以得出，各测点的挠度校验系数均接近1，但大部分超过设计值。

3. 主拱拱顶、1/4跨、拱脚，边拱拱肋及拱脚的应变残余值及相对残余见表4

4. 表4 主拱及边拱各测试截面相对残余应变

由以上测试结果可以得出，各测点的相对残余应变均小于20%，结构接近弹性工作满足《评定规程》要求。

主拱拱顶、1/4跨、拱脚，边拱拱肋的实测挠度值及相对残余挠度表5

表5主拱及边拱各测试截面相对残余挠度

由以上测试结果可以得出，各测点的相对残余挠度均小于20%，结构接近弹性工作，满足《评定规程》要求。

五、主桥实验结论

1.主桥主拱、边拱各测试截面的主要控制测点，在试验荷载作用下，大部分测点均小于1，该桥钢管混凝土拱肋受力基本正常，但刚度有所削弱，拱脚处应变检验系数大于 1.0，局部超过理论计算值。

2.各测点的挠度校验系数均接近1，但大部分超过设计值。

3. 卸载后各控制测点的相对残余应变在12.1%~17.9%之间，相对残余变形在8.85~11.9%之间，均小于规范对相对残余变位不大于20%的要求，结构接近弹性工作。

参考文献

[1]《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）

[2]《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-2011）；

[3]　夏建中.芜湖长江大桥成桥静动载试验[J].中国铁道科学.2001,22(5):81-84.

[4]王宗林，王潮海. 大跨径钢管混凝土拱桥的动力性能改造.公路交通科技，2006,23(11):73-77,94