某下承式拱桥静动载试验分析

摘要：利用MIDAS/Civil软件建立某下承式拱桥的空间模型，计算分析了该桥在设计荷载及试验荷载作用下结构的静、动力响应，根据试验结果和检测指标的对比分析，对该梁的承载能力进行综合评估与鉴定。

关键词：MIDAS/Civil；下承式拱桥；荷载试验；承载能力；

中图分类号：U446.1文献标识码：A

Loading Test and Analysis of a Through Arch-Arch Bridge Based on Grillage Method

LUO Chuan-zhou, YUAN Xiang-rong.

(school of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, Guangdong, China )

Abstract: By using MIDAS/Civil software,this paper established a through arch-arch bridge, calculated and analysed the static and dynamic response of the bridge.Based on the comparison and analysis of test data and inspecting indicator, the load-bearing capacity was processed by comprehensive evaluation and appraisal.

Keywords: MIDAS/Civil; through arch-arch bridge; girder;test load; load-bearing capacity;

0 引言

在城市公路和高速公路建设中，为适应特殊地质，突破桥梁跨度限制，下承式拱桥得到广泛的应用，这种结构常采用预制混凝土主拱，设置吊杆承受桥面荷载与桥梁自重，主拱上部设置横系梁，由于主拱作为主要受力构件，其结构受力分析比一般桥梁复杂很多。[1]本文利用MIDAS/Civil软件对一座下承式拱桥进行结构分析并评价其承载能力。[2]

1 工况概况

桥梁长49.7m；桥面总宽11.5m，总体横向布置为：1.00m（拱圈）+0.30m（栏杆）+1.25m（人行道）+6.40m（车行道）+1.25m（人行道）+0.30m(栏杆)+ 1.00m（拱圈）。该桥为单跨下承式系杆拱桥，设两道拱肋，拱肋截面宽1.0m、高0.8m，左右均设有11根吊杆，吊杆直径为15mm，主拱上部设有3道横系梁，主梁由2道边纵梁及13道横梁组成，横梁宽0.40m、高1.08m，端部横梁间距3.60m，其余横梁间隔4.10m，纵梁宽1.00m、高1.60m。下部结构为框架桥台，钻孔灌注桩基础。该桥设计活载等级为汽车―20级、人群荷载3.0kN/m2，挂车―100。平面布置见图1。

图1 桥梁平面布置图（单位：cm）

2 有限元模型分析

采用MIDAS/Civil软件建立该桥的空间杆系有限元计算模型，模型共划分为196个节点、22个杆单元、164个梁单元和120个板单元，有限元模型见图2。采用该有限元模型进行桥梁的设计活载及试验荷载内力、试验荷载反应和自振特性的分析计算。本文在模型建立过程中主要考虑了以下几点：

（1）主拱圈建立

在进行拱桥的主拱圈建立时，拱轴线应与原结构相符，对于横系梁的布置，也应与原结构相符。运用MIDAS/Civil软件建模助手建立主拱圈，只需分别设定拱跨度及高度即可建立相应主拱圈，单边主拱圈划分为24个梁单元，两道主拱圈之间设置3道横系梁。

（2）桥面板建立

桥面板厚度与普通梁桥相比较小，因此不能划分为梁单元，故将该桥桥面板划分为120个板单元。另外，根据该桥原结构，分别设置11道横梁，均通过吊杆将桥面活载传至主拱圈。

（3）边界条件

边界条件采用与实桥的支座形式一致，支座的模拟采用弹性连接法。在边横梁底支座实际支承的位置建立节点，在新建立的边横梁底节点和支座底部节点间用一般弹性连接模拟（本文盆式支座刚度取1×108kN/m），最后将支座底部节点完全固结[4]。

图2 MIDAS/Civil软件建立有限元模型

3 荷载试验与结果分析

3.1 加载效率

本次试验根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》[3]（下文简称《评定规程》）的要求，由荷载效率η来确定试验的最大荷载，η取值在0.95~1.05 之间。根据《评定规程》的建议，结合桥型特点、内力计算结果及现场实际情况，选取全桥跨作为加载试验对象。加载方式采用逐级递增加载，共需要3辆重约350kN的重车，通过工况1~3，使0#拱脚轴力达到加载效率；通过工况4~6，使跨中拱顶正弯矩达到加载效率，加载载位见图3。

(a)工况1~3

(a)工况4~6

图3 试验加载车辆布置图（单位：cm）

3.2 量测方案

试验内容包括：梁体控制截面的挠度、应变、固有频率及阻尼比。

拱肋变形测点主要布置在加载侧（右侧）拱肋上方，具体布置在拱肋的四分点及拱顶位置，共布设3个变形测点; 桥面变形测点主要布置在检测跨支点、四分点、跨中位置等处共设置7个挠度变形测点。桥面测点采用长2厘米特制螺栓固定在桥面铺装层上，竖向变形测量采用二等变形要求控制，每站高差中误差要求为±0.13mm，附合或闭合环容许闭合差为±0.30 mm（其中n为测站数），采用NA2/GPM3型精密水准仪，后视点设置在测试桥跨外。

拱肋应变测试断面主要选在加载侧的主拱肋拱脚、四分点和拱顶截面。在每个测试断面的上缘和下缘分别设2个应变测点，共计20个；横梁应变测试断面选在跨中横梁中部截面。在测试断面的下缘设2个应变测点。应变测试采用钢弦应变计。

动载测试的测点布置在试验桥跨桥面的四分点及跨中位置处，采用DASP动态测试与分析系统进行。[4]~[5]

3.3 量测方案

（1）挠度测试结果

在最大试验工况下，试测桥跨各挠度测点实测值与理论值对比见表1。可见，各加载阶段满载阶段下，桥面主要测点挠度校验系数在0.48~0.81 之间，拱肋主要测点挠度校验系数在0.33~0.38 之间，均能满足《评定规程》的要求。

表1 最大试验工况下挠度实测值与理论值

测点位置 最大挠度值/mm 效验

系数

实测值 计算值

桥面 L/4 -3.8 -4.7 0.81

L/2 -2.8 -5.8 0.48

拱肋 L/4 -1.1 -3.3 0.33

L/2 -1.0 -2.6 0.38

（2）应变测试结果

在最大试验工况下，试测桥跨各应变测点实测值与理论值对比见表2。可见，各加载阶段满载阶段下，拱肋主要测点应变校验系数在0.55~0.60 之间，横梁主要测点应变校验系数为0.66，均能满足《评定规程》的要求。

表2 最大试验工况下应变实测值与理论值

测点位置 最大挠度值/mm 效验

系数

实测值 计算值

拱肋 L/4 -23 -42 0.55

L/2 -25 -42 0.60

横梁 L/2 58 88 0.66

（3）动载试验结果

测试桥跨动力特性试验结果见表3。

表3 试验桥跨动力特性试验结果

测试阶段 地脉动 跳车 20km/h

行车 理论值

自振频率/Hz 3.61 3.62 3.59 3.01

阻尼比/% 1.41~1.75 0.94~1.46 1.35~1.69 ―

可见，该桥的实测一阶自振频率在3.59~3.62之间，阻尼比在0.94%~1.75%之间，而对应的理论一阶频率为3.01Hz，实测频率大于理论计算值，说明该桥振动响应较小，行车性能良好。

4 结论

（1）结合上述试验结果，该桥各项试验检测指标均能满足《评定规程》的要求，表明其行车及静力工作性能良好，并具有一定的承载能力储备。

（2）通过对实测数据与理论计算数据变化趋势的比较，说明本文所采用板单元模拟该桥桥面板的有限元模型能较好的反映下承式拱桥的受力特点。

参考文献

[1] 交通部. 公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）[S]. 北京：人民交通出版社，2004.

[2]林柏成，袁向荣，朱文正. 基于梁格法的某变宽连续箱梁桥静动载试验分析[J]. 城市建设理论. 2014(8).

[3] JTG/T J21-2011 公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[4] 宋一凡. 公路桥梁动力学[M]. 北京：人民交通出版社，2000..

[5] 徐文峰，袁向荣. DASP系统在连续梁模态分析中的应用[J]. 工程与试验. 2011，51（4）：58-59.

作者简介：罗川舟（1988-），男（汉），广东，硕士研究生，目前从事桥梁工程、图像监控研究。