某钢管混凝土系杆拱桥静动载试验研究

周 洁

（石家庄道桥管理处桥涵管理所，河北 石家庄 0500060）

0 引 言

随着我国交通事业的不断发展，钢管混凝土系杆拱桥以其强度高、跨越能力大以及受力形式合理的优势，在土木工程中的应用越来越广泛[1]。

由于钢管混凝土系杆拱桥的受力形式复杂，基于现有检测规范对其承载能力评定偏于保守，导致其安全储备过高，造成经济的损失和浪费。因此，合理评定钢管混凝土系杆拱桥的真实受力性能具有重要意义。

国外关于钢管混凝土系杆拱桥理论从形成到发展已有上百年的历史，并制定了一系列设计规程，如欧洲的 EC4（1996）和日本的 AIJ（1980，1997），但现阶段，国外关于钢管混凝土系杆拱桥的检测规程研究相对落后于设计规程。

国内关于钢管混凝土系杆拱桥的设计规程相对完善，但关于钢管混凝土系杆拱桥检测规程的评定理论及评定方法尚需进一步讨论。虽然钢管结构的制造及核心混凝土的浇灌分别符合现行的《钢结构设计规范》（GB 50017-2017）和《混凝土设计规范》（GB 50010-2010）的有关规定，但并未过多考虑钢管和混凝土共同受力的特殊性，对该问题的研究仍是国内外桥梁界的热点问题。

本文静动载试验分析以某钢管混凝土系杆拱桥为研究对象，获得钢管混凝土系杆拱桥在动静载作用下控制截面的反应实测值，并与钢管混凝土系杆拱桥的有限元模型的理论值进行对比分析，对结构刚度、强度、稳定性、行车性能以及动力特性做出评定[2]。

1 工程概况

石家庄南二环西延跨南水北调干渠高架桥，主桥位于直线段，跨越南水北调干渠，主桥标准断面宽度：1.2 m（系梁）+0.625 m（护栏、防落 网）+12.25 m（主车道）+0.625 m（护栏、防落网）+1.2 m（系梁）+1.1 m（肋间缝）+1.2 m（系梁）+0.625 m（护栏、防落网）+12.25 m（主车道）+0.625 m（护栏、防落网）+1.2 m（系梁）[3]。其中，上部结构的拱肋采用哑铃型钢管混凝土，系梁采用箱形断面，吊杆采用带球铰的OVMLZM7-85型吊杆。系梁和横梁为预应力混凝土结构。拱肋、风撑钢管采用Q345qD钢板卷，系梁、横梁采用C50混凝土，空心板采用C40混凝土。设计荷载：城—A级。

试验孔跨的系杆拱桥立面及跨中横断面示意图如图1所示。

2 静载试验

2.1 建立有限元模型

采用桥梁结构专用程序MIDAS CIVIL建立钢管混凝土系杆拱桥的有限元模型，其中桥面板和拱肋用一般梁单元模拟，吊杆用桁架单元模拟[4]。该桥结构计算模型及设计荷载效应包络图如图2所示。

2.2 测点布置

钢管混凝土系杆拱桥进行静载试验，主要测试截面包括试验孔跨拱脚处截面、四分点处截面及跨中截面的挠度和应变[5]。主要测试截面位置如图3所示。

图1 系杆拱桥的立面及跨中横断面示意图

图2 系杆拱桥的模型图及设计荷载效应包络图

当结构在最不利的荷载作用下时，通过对控制截面内的应变测定可以考核其强度是否满足使用要求[6]。该次控制截面应变测试采用振弦式应变计，搭配智能综合测试仪。试验孔主要测试截面的应变测点布置断面示意图如图4（a）所示。

考虑到该桥的结构特点及测试工况，该次静载试验，各挠度测点均布置于拱肋底和梁底。试验孔主要测试截面的挠度测点布置断面示意图如图4（b）所示。

图4 主要测试截面的测点布置图

2.3 试验荷载工况

考虑到现场加载设备，静力试验荷载共采用6辆单辆约320 kN的三轴载重汽车充当。钢管混凝土系杆拱桥的静载试验内容如下：

（1）工况1：检验A-A截面在最不利活载作用下的最大正弯矩，试验荷载采用横向偏心荷载。

（2）工况2：检验B-B截面在最不利活载作用下的最大正弯矩，试验荷载采用横向偏心荷载。

（3）工况3：检验C-C截面在最不利活载作用下的最大正弯矩，试验荷载采用横向偏心荷载。

2.4 静力试验荷载效率

根据《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015）的规定，并结合本项目实际情况，本次试验以设计弯矩作为控制弯矩。在试验荷载作用下，各工况试验荷载效率系数如表1所示。

表1 试验荷载效率

2.5 试验结果与分析

静载试验主要是根据结构校验系数对结构工作状况进行评定。该次静载试验各工况的挠度、应变测试结果如下。

（1）应变测试结果与分析

该桥试验孔在不同加载工况下，主要测点应变校验系数如表2所示。系杆拱桥分别在工况2和工况3荷载作用下，主要测试截面的应变实测值与理论值的对比曲线图如图5所示。

图5 主要测试截面的应变实测值与理论值对比曲线图

由表2可知，系杆拱桥在不同荷载工况作用下，各测点应变校验系数均小于规范允许值1.0，说明其结构强度满足设计要求。

（2）挠度测试结果与分析

该桥试验孔在不同加载工况下，主要测点挠度校验系数如表3所示。系杆拱桥分别在工况2和工况3荷载作用下，主要测试截面的挠度实测值与理论值的对比曲线图如图6所示。

表2 应变校验系数表

图6 主要测试截面的挠度实测值与理论值对比曲线图

由表3可知，系杆拱桥在不同加载工况下，各测点挠度校验系数均小于规范允许值1.0，说明其结构刚度满足设计要求。

（3）索力测试结果与分析

该桥试验孔在工况3荷载作用下，主要吊杆索力校验系数如表4所示，主要吊杆索力的实测值与理论值的对比曲线图如图7所示[7]。

表3 挠度校验系数表

表4 索力校验系数表

图7 工况3主要吊杆索力的实测值与理论值的对比曲线

由表4可知，系杆拱桥在荷载工况3作用下，索力校验系数均小于1.0，说明其结构内力及索力调整与设计相符。

3 动载试验及结构模态测试

3.1 动载试验

动力响应是桥梁力学响应里一个重要的特性指标。动力荷载试验的目的就是通过测定特定部位在动荷载作用下的桥梁变形或应力的变化规律，评定车辆对桥梁的冲击作用，为日后的桥梁运营及养护管理提供建议。

（1）测点布置

系杆拱桥动载试验的测点布置在系梁跨中底部位置。

（2）试验荷载工况

在各种不同的行车条件下，测量试验孔跨中断面动应变测点的动应变曲线。本次测试取1辆32 t车辆按照 10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h的速度进行跑车试验，每个速度工况重复2次。

（3）试验结果与分析

动应变是反映桥梁动刚度特性的一个物理量，经处理分析后得出的冲击系数能综合地反映动荷载对桥梁的作用[8]。冲击系数的实测值与理论值的对比曲线图如图8所示。

图8 冲击系数的实测值与理论值的对比曲线图

由图8可知：实测冲击系数均小于理论计算值，说明桥面平顺，行车性能满足要求。

3.2 结构模态测试

结构模态与其刚度、质量分布及约束情况有关，它是从整体上表征桥梁结构状态的一个量。为从整体上把握钢管混凝土系杆拱桥的运营状态，对其进行结构模态的检测，并将检试结果与有限元模拟结果进行对比分析。

（1）测点布置

为测试系杆拱桥的动力特性，在系梁1/6跨、1/4跨、1/2跨、3/4跨、5/6跨两侧各布置一个拾振器。

（2）试验结果及分析

为保证结构模态结果分析的正确性，本次试验借助桥梁结构专用程序MIDAS CIVIL建立钢管混凝土系杆拱桥的有限元模型，对系杆拱桥进行结构计算分析。结构模型一阶振型图如图9（a）所示，结构一阶振型理论计算结果如表5所示，实测结构一阶振型如图9（b）所示，结构实测频谱如图9（c）所示。

图9 系杆拱桥的一阶振型图及实测频谱图

由表5可知：系杆拱桥计算基频为0.76 Hz，而实测基频为0.97 Hz，说明系杆拱桥的动刚度大于设计值，具有较好的动力特性。

5 结论

通过对某钢管混凝土系杆拱桥静动载试验研究，可以得出以下结论：

表5 系杆拱桥结构模态理论计算结果

（1）在静荷载作用下，各测点挠度校验系数最大为0.71，应变校验系数最大为0.80，均小于规范规定的限值1.0，说明结构刚度和强度均满足设计要求。

（2）在动荷载作用下，实测冲击系数小于理论冲击系数，说明该结构的行车性能良好；同时，系杆拱的计算基频为0.76 Hz，实测基频为0.97 Hz，说明系杆拱桥的动刚度大于设计值，具有良好的动力特性。