大跨径钢管混凝土拱桥换索后荷载试验

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摘要：以刚进行过吊杆更换的某中承式大跨径钢管混凝土拱桥为工程背景，利用Midas/Civil有限元分析软件按照更换吊杆后的桥梁状况建立模型，通过模型分析和参考相关设计规范及资料制定了荷载试验方案，并对试验结果进行分析，证明更换吊杆并没有对该桥静力工作性能造成明显影响。为相关工程提供借鉴。

关键词：大跨径钢管混凝土拱桥；吊杆更换；有限元模型；荷载试验

中图分类号：TU37 文献标识码： A

钢管混凝土拱桥在我国的应用历史很短，由于其优美的桥型、良好的组合受力性能，而被广泛应用。系杆结构轻盈、造型美观而且施工方便。吊杆是系杆拱桥的关键传力构件，在全桥寿命周期中一般要经历数次更换，吊杆更换之后势必会对桥梁工作性能造成影响，所以必须对全桥进行荷载试验，以验证桥梁承载能力[1]。本文以刚进行过吊杆更换的某中承式大跨径钢管混凝土拱桥为案例，对试验思路和方法以及结果进行分析，说明更换吊杆后桥梁的承载能力符合要求，为相关同类工程提供借鉴。

1 工程概况

该大桥为中承式钢管混凝土拱桥，跨径组合为130m（边跨）+200m（主跨）+130m（边跨），桥面全宽为22.5m，。荷载等级为汽—超20，挂—120，人群荷载为3.5KN/㎡，桥位地震烈度为6度。截至2012年已良好运营了整十年。目前国内吊杆的平均使用寿命不超过15年，为确保大桥的安全运营，于2012年开始对全桥吊杆进行更换。由于吊杆是关键受力构件，并且采用新型吊杆。吊杆更换工程完成后对该桥进行了荷载试验，以验证该桥在更换吊杆后的工作性能。本文将对该项目的荷载试验的方案制定和试验结果进行讨论，限于篇幅只讨论静力荷载试验部分。

2 静力荷载试验

本次静载试验的目的是为检验此次吊杆更换工程结果，了解结构的实际受力状况和静力工作状态，检测更换吊杆工程后本桥的可靠性，考察桥梁结构的整体变形规律，为日后桥梁的运营、养护和管理提供依据。限于篇幅，只对主跨部分试验进行讨论。

2.1 荷载试验原则及工况

根据试验目的，按照相关设计资料和规范，本次静力荷载试验的主要内容有：（1）主跨拱肋控制截面弦杆应力（应变）检测；（2）主跨拱肋控制部位挠度检测；（3）主跨吊杆轴力增量抽样检测；（4）全桥桥面线形测量。

根据加载目的的需要，选取试验测试控制截面如图2.2-1所示，图中只给出一半图示。

图2.2-1200m主跨测试截面位置及编号

根据测试控制截面位置，初步制定主跨试验工况如表2.2-2

表2.2-2主跨加载工况

工况序号 工况名称

工况一 拱脚截面（J1）上弦最大压力

工况二 拱脚截面（J1）下弦最大压力

工况三 L/4截面（J3）上弦最大压力

工况四 L/4截面（J3）下弦最大压力

工况五 L/2截面（J4）上弦最大压力

荷载试验开始前利用有限元软件对桥梁进行分析，利用有限元模型可以得出控制截面的影响线（图2.1-4~8），利用影响线找到最不利加载位置，从而确定最有效的加载工况。

图2.2-3全桥Midas有限元模型

图2.2-4拱脚截面（J1）上弦压力影响线

图2.2-5拱脚截面（J1）下弦压力影响线

图2.2-6L/4截面（J3）上弦压力影响线

图2.2-7L/4截面（J3）下弦压力影响线

图2.2-8L/2截面（J4）上弦压力影响线

根据模型控制截面处影响线分析结果，按照《公路桥梁承载能力检测评定规范》（JTG/T J21-2011）的对荷载效率相关要求，采用6～11台加载车进行纵向和横向等效布载，11辆试验加载车辆的规格参数：前-中轴距3.6m(均),中-后轴距1.4m，横向轮距1.8m，前轴重6.24m(均)，中-后轴重25.55t(均)，总重30.5t(均)。

图2.2-9 中跨工况1、4加载布置图

图2.2-10 中跨工况5加载布置图

3 试验结果分析与评价

采用校验系数η来评价本次静力荷载试验结果，η的取值范围参考相关资料及规范[4]。

3.1 拱肋弦杆应力检测结果

试验荷载作用下，主拱的控制截面弦杆钢管的绝大多数应力测点的实测应力小于计算应力，且实测应力增量较小，主跨的应力校验系数（表3.1-1）在0.56～0.94之间。弦杆测试部位的受力状态正常，基本处于合理范围，且实测应力增量绝对值较小，强度满足设计要求。

表3.1-1 主跨控制截面弦杆实测应力与理论应力的比较

工况 校验部位 弹性值

σe（MPa） 理论值

σe（MPa） 校验系数η

（σe/σs)

工况1（4） 拱脚内侧下弦杆下缘 25.4 28.7 0.89

1/4截面外侧下弦杆下缘 20.8 26.9 0.77

工况2 拱脚0外侧上弦杆上缘 31 33.7 0.92

工况3 1/4截面外侧上弦杆上缘 -22.1 -40.0 0.55

工况5 1/2截面外侧上弦杆上缘 -27.3 -34.5 0.79

3.2 拱肋挠度检测结果

试验荷载作用下，主跨拱肋测试截面的挠度校验系数介于0.13～0.97,结构实际刚度大于计算刚度；拱肋最大实测正、负挠度增量分别为8.0cm和-7.9cm，最大实测正、负挠度绝对值之和为计算跨径的1/1253.7，

远小于L/600；试验荷载作用下，实测拱肋挠度纵向分布与计算值相符，荷载卸除后，主要控制测点的相对残余变位小于检测规程的限值，表明结构变形规律正常。

各工况试验荷载作用下，校验系数最大的校验部位试验结果见表3.2-1。

表3.2-1中跨跨中挠度实测结果与理论结果计算值的比较

工况 校验部位 实测值/mm 理论值/mm 校验系数

工况1、4 上游6/8截面 80 88 0.91

下游5/8截面 36 37 0.97

工况2 上游1/4截面 -60 -62 0.94

下游1/4截面 32 53 0.57

工况3 上游5/8截面 -45 -47 0.94

下游1/4截面 23 25 0.92

工况5 上游1/8截面 -4.5 -5 0.90

下游1/2截面 22 24 0.79

3.3 吊杆内力增量检测结果

吊杆索力设计理论值为900KN，加载前，采用微震法对主跨吊杆进行恒载索力测试，测量结果与理论值相差基本在5%以内，说明主跨吊杆内力正常。

在相应的荷载工况下，吊杆的实测索力与索力增量具有较好的规律性，且与计算值基本相符。试验过程中，未发现异常现象。

各工况试验结果作用下，部分吊杆索力进行选测，结果如图3.3-1

表3.3-1部分吊杆索力结果 单位（KN）

3.4 全桥桥面线形变化

将试验前后桥面高程数据对比，桥面标高变化最大为0.9cm，全桥线形良好。

4 结语

通过讨论该工程，对更换吊杆后大桥荷载试验的过程及特点有了更深刻认识和体会。试验结果表明，更换吊杆后该桥主要指标校验系数满足相关设计规范要求，桥梁吊

杆更换取了理想的效果。本文所做工作可以为类似工程提供借鉴和参考。

参考文献

[1] 陈宝春.钢管混凝土拱桥（第二版）.北京：人民交通出版社.2007年1月

[2] 陈榕峰，宋丹，高鹏.公路桥梁荷载试验综述[J].交通标准化.2006,(10):34-36

[3] 宋一凡.公路桥梁荷载试验与结构评定（第一版）[M].北京：人民交通出版社， 2002

[4] 《公路桥梁承载能力检测评定规范》（JTG/T J21-2011）

作者简介：苗荣海(1987-)，男，河南伊川人，重庆交通大学土木学院，硕士研究生。