摘要：本文基于钢结构跨河拱桥进行荷载试验研究，采用有限元分析软件MSC.Marc与现场荷载试验实测值对比研究，对桥梁进行静载试验和动载试验的研究，该桥的试验检测方法、过程、数据处理及结果可供同类型桥梁的检测、维养及评估等参考，同时可为同类钢结构拱桥的研究工作积累相关数据。
关键词：上承式；受力性能；钢结构拱桥；荷载试验
0引言
近年来我国多跨式连续拱桥相继增多［1］,因此桥梁在荷载作用下的受力性能的检测和评估值也逐渐引起人们的重视。研究人员对新建桥梁进行检测和评估时最为直观的检测方法就是荷载试验［2，3］。本文以受力性能分析较为复杂的三跨上承式钢结构拱桥为工程背景，采用现场荷载试验和MSC.Marc有限元建模分析两种方式对钢结构拱桥的受力性能进行研究，并且掌握钢结构拱桥的受力性能，计算分析结果将会用于指导工程实际。
1工程概况
该三跨上承式钢结构拱桥位于重庆某快速公路上，全长261m，从小里程到大里程方向的跨径分别为77m、107m和77m，桥墩材料为C40混凝土，剩余主要构件采用Q345qD钢材。桥面横断面共34m，单向3车道，从上游到下游其横断面布置为：人行道栏杆（0.5m）+人行道(4m）+行车道(11.5 m）+中央分隔带(2m) +行车道（11.5 m）+人行道（4m）+人行道栏杆（0.5m）。采用浇注式沥青混凝土桥作为桥面铺装层，底层为30mm浇注式沥青混合料GA10，表层为50 mm高弹性改性沥青土SMA13。
2模型建立
本次荷载试验采用msc marc有限元软件做整体计算分析。顶板和拱圈底板采用三维实体单元，桥面、立柱、拱圈腹板采用壳单元模拟，墩等构件采用实体单元模拟。边界条件为：主墩及边跨拱座固结，桥面板与立柱间采用弹性约束连接模拟支座。
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图1 有限元模型分析
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图2 试验加载控制截面布置图
3静载试验
3.1荷载工况
参照《城市桥梁检测与评定技术规范》，采用空间分析方法自行计算横向分布空间效应。按影响线规律，标准车道荷载有正行和偏行，车道又有2车道和3车道，因此对四种组合都进行布载计算。
根据钢结构拱桥的结构受力特性和有限元的计算分析，静载试验工况共设置了11个，详见表1。
表1 静载试验工况
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3.2荷载效率
本次荷载试验采用汽车等效荷载加载，以各控制截面的试验最大荷载内力的静力荷载试验效率一般应满足以下条件：
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≤1.05
试验荷载由3车道的城-A级和人群荷载3.5kN/m2控制，过桥管网重5.0kN/m由于桥梁检测时，过桥污水管道未通水、栏杆未安装，控制值需考虑两项荷载的影响。该桥关键测点位置的加载效率为0.85~1.05，静载试验荷载效率满足规范要求。
3.3测点布置
由于重庆夏季白天温度较高，为避免钢结构拱桥受热导致试验数据不精确，因此试验在夜间进行。试验应变观测采用3mm标距钢筋应变片粘贴在主桥箱拱表面，采用静态电阻应变仪自动扫描观测表面应变，桥路模式为半桥，测试系统为：应变片—静态应变仪—应变数据采集、记录。
挠度的采用两种方式，第一种：精密水准仪DS05—读取挠度；第二种：位移传感器—静态应变仪—挠度输出。在主拱拱背上架设精密水准仪读取测点位置挠度，分别在桥台和桥墩上设后视基准点，每次测读前均读取后视基准点进行校核。应变及挠度测点布置图见图3。
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注：图中编号中，i-1代表应力编号，fi-1代表挠度编号，i为测试截面编号、1为测点编号。
图3拱圈应力及挠度试验截面测点布置图
3.4静载试验结果
（1）应力试验分析
将各工况下控制点的实测弹性应力数据σm与理论计算值σc进行比较，其中.png)
，E=2.06×105MPa(Q345qd)。分析得：
（1）各截面在试验荷载加载时，测试截面的整体应力变化规律与理论计算基本相符。在各测试工况下，各关键测点应力校验系数为0.59~0.91，实测最大压应力增量为-15.24MPa，最大拉应力增量为3.71MPa；关键测点应力校验系数均小于1，桥梁结构强度满足设计要求。
在各测试工况下，卸载完毕后关键应力测点相对残余应变均小于20%，表明桥梁的结构工作在弹性变形范围内。具体详见表2。
表2 应力检测结果汇总表
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（2）挠度分析
将实测值与理论值进行比较，得出以下结论：
（1）在各试验工况荷载作用下，同一截面测点的挠度测试值变化规律与理论计算基本相符。各关键测点的挠度校验系数为0.64~1.01，个别测点校验系数为1.01，其余测点校验系数均＜1.0，桥梁的刚度满足正常使用要求。
（2）在各测试工况下，卸载完毕后桥梁各控制截面挠度测试相对残余变形均小于20%，说明了桥梁的结构工作在弹性变形范围内。具体详见表3。
表3 挠度检测结果汇总表
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4动载试验
结合钢结构拱桥的自身特性，选用第2跨的1/4L截面和第3跨的1/2L截面作为动载试验截面。
4.1理论计算
理论计算采用Marc进行仿真模拟计算，其中f1=2.554Hz，μ=0.15。
4.2动载试验结果
4.2.1结构自振特性测试结果
通过对结构进行环境随机激励，测试记录结构的振动信号，经分析处理得到结构的自振频率，结果见表4所示。
表4 挠度检测结果汇总表
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试验桥跨前三阶竖向自振频率的实测值为f1=2.563Hz，f2=3.313Hz，f3=4.625Hz，阻尼比为4.49%、2.28%和3.51%。频率实测值＞计算值，表明桥梁结构的实际刚度＞设计刚度，与静载试验的挠度结果吻合。
4.2.2动力响应
表5 冲击系数测试结果
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四种工况下，冲击系数实测最大值＜规范值，桥梁测试跨动力响应正常。
动载试验表明，大桥测试桥跨实测自振特性和测试截面的动力响应正常。
5结论
通过三跨上承式钢结构拱桥的荷载试验，以及MSC.Marc建模计算分析，对桥梁结构在不同级加载下的受力特点及变化规律进行对比分析，得到了几点结论：
(1)由静载试验检测表明，这座桥的荷载效率达到新建桥梁验收荷载试验要求，桥梁处于理想的协调受力状态。
(2)由动载试验检测表明，该桥的频率实测值和计算值相差不大，则桥梁的结构设计刚度和桥梁的实际刚度稳和，桥梁的动载试验满足要求。
(3)本次试验表明该桥所检测桥跨结构强度、刚度满足设计荷载标准，同时此次试验为桥梁今后的管理养护、健康状况的监测等提供了技术数据。
(4)本文的试验检测过程、方法、数据处理及结果可供同类型桥梁的检测、维养及评估等参考。
(5)钢结构桥梁在荷载试验过程中受温度影响较大，因此建议钢结构拱桥在做荷载试验时还应该考虑温度对变形的影响。
参考文献：
[1]J Kulicki.The once and future steel bridge[J].Transporttation Research Record, 2000,1696(1):219-237.
[2]代少敏,刘显陆.桥梁荷载试验要点评述与展望[J].交通标准化,2009(11):14-16．
[3]章日凯,工常青.桥梁荷载试验[J].交通标准化,2005(12):69-72.
[4]中国建筑科学研究院.城市桥梁检测与评定技术规范:CJJ/T233-2015[S].北京:中国建筑工业出版社.
作者简介：杨敏(1995-)，女，侗族，贵州榕江人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：新结构、新材料、新工艺及新技术研究应用。
论文作者:杨敏,李冀,李邦梅,崔凤
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/18
标签：荷载论文; 挠度论文; 桥梁论文; 拱桥论文; 截面论文; 钢结构论文; 应力论文; 《基层建设》2019年第28期论文;