偏心加载作用下某拱结构的力学响应研究*

高岩渊，刘 华，汪 锋，张 剑，王京杭

(1.江苏扬子江高速通道管理有限公司，江苏 江阴 214400；2.中铁桥隧技术有限公司，江苏 南京 210031；3.江苏宁沪高速公路股份有限公司，江苏 南京 210049；4.南京航空航天大学，江苏 南京 210016)

桥梁结构的荷载试验包含静载试验和动载试验。桥梁静载试验主要是通过测量桥梁结构在静力荷载作用下各控制截面的应力及结构变形，从而确定桥梁实际工作状态与设计期望值是否相符，它是检验桥梁性能及工作状态(如结构的强度、刚度)最直接、最有效的方法[1-3]。对实桥进行现场勘察和调查，初步了解桥梁当前工作状况。建立桥梁计算模型，进行设计活载分析并结合桥梁调查结果，确定桥梁测试控制截面和应力(应变)、挠度(变形)测点布置[4-5]。选取试验荷载类型，根据桥梁设计荷载等级和目前实际运营状况，确定试验荷载等级。确定加载工况、加载位置和加载步骤[6-7]。比较试验荷载下测点的理论值与实测值，对实桥的实际工作状况进行评定。评判指标有静力荷载试验结构检验系数、相对残余变形等[8-9]。静力荷载试验结构检验系数是试验荷载作用下测点的实测弹性变形值与相应的理论计算值的比值，当值小于1时，代表桥梁的实际状况要好于理论状况。相对残余变形是测点实测残余变形与对应的实测总变形的比值，且比值越小，说明结构越接近弹性工作状况。本文以某拱结构桥梁为对象，设计偏心加载试验方案，对偏载作用下拱结构的力学响应进行研究。

1 工程概况

主拱肋的预制构造由16根拱肋、15个拱波组成，现浇层高出拱6 cm。主拱圈断面高度为78.5 cm，在跨越铁路的跨线桥部分，主拱圈断面高度为68.3 cm。结构体系为等截面的无铰拱，立面布置如图1所示，拱结构横截面构造如图2所示。拱肋为250级钢筋混凝土预制构件，拱肋中心距为1.3 m，群肋边至边总宽度为19.76 m。拱肋与台帽的连接，采用平口插入后现浇细石混凝土填实。拱肋与拱肋间用横向连杆连接，断面为8 cm×11 cm，连杆最大间距为1.8 m。横隔板设置在拱肋接头处，现场浇筑。拱波为200级混凝土构件，系圆弧拱，拱波厚度6 cm。

2 测点布置

根据现场调查及大桥荷载技术标准为公路汽-18，采用重约300 kN的载重汽车作为试验荷载进行加载。根据桥梁结构计算分析结果，并参照《公路桥梁承载能力检测评定规程》相关规定，该引桥共计采用20辆重约300 kN的载重汽车作为试验加载车辆。在试验过程中，采用静态应变采集系统、应变片测试结构应变。使用电子位移计/拉线式位移计测量结构因试验加载而产生的挠度值。在跨中截面布置了桥梁静载试验应变测点与变形测点分别如图3与图4所示。

3 荷载试验及数据分析

3.1 试验截面

现场调查结果，确定桥梁静载试验控制截面。双曲拱结构弯矩包络图如图5所示。跨中截面正弯矩对称加载，测试跨中截面测点变形。跨中截面最大正弯矩影响线如图6所示，偏心加载时车辆纵向加载轮位布置图如图7所示，车辆横向加载轮位布置图如图8所示。

根据工况加载车辆的布置，用桥梁专用计算程序计算出各工况试验荷载作用下相应测试截面的内力效应值为84.49 kN·m，同时计算设计荷载作用下相应测试截面的内力效应值为85.07 kN·m，故本次试验静力试验荷载效率为0.99。静力试验荷载效率介于0.95～1.05，满足试验规程要求。

3.2 变形测试结果及分析

在试验过程中，采用静态应变采集系统、应变片测试结构应变，主要测点(加*表示)在各级加载工况下实测应变结果见表1，其中以正值为受拉，负值为受压。梁体加载变形测试主要采用拉线式位移计测量进行。主要测点在各级加载工况下实测结果见表2。表中正值表示下挠，负值表示上拱，S1测点数据采集仪器失效，未能有效采集。

表1 双曲拱桥跨中A截面偏心加载应变实测值

表2 双曲拱桥跨中截面加载测点的实测变形

由表1可知：在拱顶截面最大正弯矩偏心加载作用下，双曲拱桥混凝土主要测点应变校验系数为0.65～1.10，拱顶截面最大拉应变值为69 με(相应理论值为68 με)；试验荷载卸除后，结构相对残余应变或相对残余应变均较小，表明结构弹性恢复能力较好。由表2可知：在拱顶最大正弯偏心加载作用下，双曲拱桥拱顶截面主要测点最大变形为1.32 mm(相应理论计算值为1.93 mm)。所有主要测点实测变形值均小于理论计算值。主要测点变形校验系数为0.39～0.68，均小于1。卸载后，主要测点相对残余变形率均小于20%，表明结构处于弹性工作状态。

4 结语

本文对某拱结构引桥的跨中截面正弯矩偏心加载，分析了偏心加载作用下跨中截面测点的应变及变形、残余应变和残余变形等。试验荷载卸除后，结构相对残余应变或相对残余应变均较小，表明结构弹性恢复能力较好。主要测点相对残余变形率均小于20%，表明结构处于弹性工作状态。本文分析方法可供其他相应工程分析参考。