上承式大跨径钢管混凝土拱桥的承载能力评定

胡 涛

(湖南致力工程科技有限公司， 湖南 长沙 410205)

0 引言

近年来，由于交通流量骤增，部分老桥的工作性能已不能满足运营需求，再加上不合理使用(如超载等)和桥梁结构自身缺陷的影响，进一步降低了桥梁结构的工作性能。因此有必要使用先进、便捷、有效的方法对桥梁结构展开合理的试验检测[1]。

钢管混凝土拱桥在我国已广泛应用，国内学者对其做了很多荷载试验研究，如付文胜等[2]基于荷载试验得出主拱肋的主要病害是由于钢管混凝土脱黏而使混凝土局部受力截面削弱，欧耀文等[3]对某大跨度钢管混凝土拱桥进行了荷载试验，得出其刚度不满足设计要求并提出了检修加固方案，李勇等[4]利用钢管混凝土缩尺模型试验得到了与实桥荷载试验相近的结果，为检测桥梁的受力性能提供了新思路。

桥梁荷载试验是桥梁承载力评价中最有效、最直接和最有说服力的方法[5]，是判定桥梁承载力性能时所不可忽略的重要步骤之一[6]。通过试验将获得的数据与相应的理论计算数据进行比较，所得试验结果作为评测桥梁结构实际承载能力和后续养护、管理的依据。本文以猛洞河特大桥为工程背景，静载试验为手段，对此桥承载能力进行评定。

1 工程概况及有限元模型

1.1 工程概况

猛洞河特大桥是永吉高速的一个控制性工程，大桥在永顺县境内跨越酉水支流、国家级分景区——猛洞河。桥跨布置为：从桥头至桥尾方向依次为3跨(每跨30 m)的变截面T形连续梁+268 m上承式钢管混凝土拱桥+6跨(每跨30 m)的变截面T形连续梁，T形梁的支承方式为简支，桥梁全长563.08 m，采用分离式桥面，其中在K11+484～K11+834.872(包含主桥)范围内为整体式桥面，桥面全宽24.5 m。桥面纵坡为-0.5%；横桥向设2%横坡，不设超高。

桥的主跨结构为上承式钢管混凝土拱桥，计算跨径为268 m，计算矢高为70.526 3 m，矢跨比为1/ 3.8，2个钢管混凝土拱肋和数个横撑组成主拱，通过焊接和螺栓连接。拱圈为桁架结构，拱上立柱使用钢管混凝土格构柱结构，拱上行车道结构采用20 m连续简支T梁。引桥上部结构采用30 m简支变截面连续T梁。

1.2 有限元模型

采用有限元软件Midas Civil建立试验桥跨的有限元模型。上承式钢管混凝土拱桥结构模型如图1所示。模拟设计荷载的方式为施加集中荷载，经活载影响线分析，确定桥梁控制截面最大内力时的布载工况，为试验加载提供理论依据[7]。

图1 桥梁有限元模型

2 静载试验评定标准及试验方法

2.1 静载试验评定标准

1)结构校验系数：结构校验系数η是桥梁荷载试验所得数据(应力、挠度)与理论计算值(应力、挠度)之比[7]。若结构校验系数η<1，则表明桥梁结构的承载能力和工作状态良好。η的计算公式如式(1)所示。

(1)

式中：Se为实测弹性应变(变形);Sc为理论计算弹性应变(变形)。

2)相对残余应变：相对残余应变ΔS是实测的残余应变或位移与理论计算的残余应变或位移之比×100%，相对残余应变ΔS反映桥梁结构抵抗变形的能力，ΔS越小，表明该能力越强。规范要求ΔS<20%。ΔS的计算式如式(2)所示。

(2)

式中：Sp为实测残余应变(变形);St为理论计算应变(变形)。

2.2 静载试验方案与内容

根据软件计算结果，在对应截面的最不利位置布载，并且静载试验效率满足规范0.95～1.05要求[8]，具体工况见表1。静载试验要求试验荷载应控制截面产生与设计荷载等效的内力，根据试验构件截面“等效内力”的原则和桥梁控制截面的最大弯矩值，同时考虑静载试验的荷载效率和载重车轴距等因素确定试验加载车辆的位置与总数[6，9]。经计算分析，此次静载试验(中载、偏载)需要12 vch载重车，每车荷载为350 kN。试验载重车辆具体信息如图2所示、车辆横桥向位置布置如图3所示。

表1 静载试验项目及荷载效率工况试验工况内容ηq1拱顶截面最大正弯矩中载0.952拱顶截面最大正弯矩偏载1.0331/4L截面最大正弯矩中载0.9941/4L截面最大正弯矩偏载1.0051#拱脚截面最大负弯矩中载1.0161#拱脚截面最大负弯矩偏载1.00

图2 试验载重车辆信息

图3 车轮横向位置布置(单位： m)

2.3 测点布置

结合猛洞河特大桥试验桥跨的结构受力特点，本次试验共确定3个控制截面、48个应变测点和10个挠度测点。其中，应变测点布置在拱肋处，每个截面16个应变测点，分左右两侧，左侧编号依次为L1～L8、右侧编号依次为R1～R8。应变片采用“T”字形布置，连接方式为半桥连接。10个挠度测点分别布置在该桥跨的支座截面、L / 4截面和L / 2截面[10]。测点布置如图4所示。采用JM3812静态信号测试分析系统测取各工况下测点的应变，TS30徕卡全站仪测取各工况下桥梁结构的变形。

图4 测点布置图(单位： m)

3 试验结果及分析

3.1 应变测试结果及分析

为了直观地反映桥梁在各工况荷载作用下的工作性能，将试验所测的应变数据与理论计算数据整合到一起，如图5所示，图中应变以受拉为正，受压为负。

由图5可知：在所有工况试验荷载下，试验截面的应变增量值较合理，理论计算值大于实测应变值，其中最大实测应变出现在工况5，其实测应变为90，对应的理论计算应变为99。由式(1)计算出结构校验系数η为0.50～0.91，表明桥梁结构强度有一定的富余量[11]，能够满足实际运营需求。

图5 拱桥跨各截面应变结果

在弹性应变的基础上，检测拱桥的残余应变，并计算出各测点的相对残余应变进行分析，结果见表2。

从表2可以看出，在工况1～6试验荷载作用下，桥梁结构无较大不可恢复应变，部分应变测点无相对残余应变，测试截面受力状态良好，最大相对残余应变为11.8%，不超过20%，满足规范要求。

表2 相对残余应变计算结果%测点工况123456L10.0 6.74.94.37.710.5L24.0 4.38.48.30.09.1L33.8 0.03.65.610.35.7L42.8 5.49.48.38.67.1L50.0 7.13.99.72.53.8L62.3 8.54.09.50.010.3L73.8 5.36.15.39.19.1L80.0 0.011.89.48.67.4

3.2 挠度测试结果及分析

通过徕卡全站仪所测得桥梁在各工况荷载作用下的挠度数据及其相应的理论计算数据如图6所示，图中挠度以向上为正，向下为负。

从图6可以看出：在试验荷载作用下，拱桥跨挠度实测值均比计算值小，其挠度增量处于正常范围。其中，最大挠度变形出现在工况3，其弹性挠度变形实测值(-36 mm)小于相应的理论计算值(-44 mm)。由式(1)计算出结构校验系数η处于0.49～0.81，表明桥梁结构的刚度有一定的富余量，在试验荷载作用下的工作状态理想，能够满足正常使用要求[12]。

图6 拱桥跨各截面挠度结果

在各工况试验荷载作用下，检测该桥跨的残余挠度，并将计算出的各测点相对残余挠度进行分析，结果见表3。

表3 相对残余应变计算结果%测点工况123456L13.73.45.83.15.97.6L210.56.14.39.63.91.9L34.64.09.18.96.710L410.76.73.84.44.54.1L53.34.36.52.48.53.1R16.42.95.19.87.38.2R26.310.38.58.52.39R34.610.18.87.26.39.3R44.314.36.46.77.14.2R53.25.95.77.19.72.5

从表3可以看出：在所有工况下，各截面测点的相对残余挠度，其最大值为14.3%，均小于规范[13]规定值(20%)，故桥梁结构的刚度性能较好，在荷载作用下不会发生较大的结构变形，满足运营要求[14]。

4 结语

猛洞河特大桥荷载试验结果及分析表明：

1) 该桥梁在主梁最大应力工况、最大挠度工况下，其加载效率分别为1.01和0.99,满足相关规范(0.95～1.05)[13]的要求。

2)从应变测试结果来看，在工况1～6荷载试验作用下，拱桥各测点的实测应变值与挠度值均小于相应的理论值，其大小分布规律与理论计算结果一致；其中，应变值与挠度值最大相对残余应变分别为11.8%和14.3%，小于规范规定值(20%)，满足规范要求。在试验荷载作用下，结构的强度和刚度具有一定的安全储备，能够满足实际运营要求。

3)综上，该桥的承载能力满足设计要求。