三跨飞燕式异型钢管混凝土拱桥振动台试验学习体会

文献概况与试验背景

本文发表于2012年北京工业大学学报，作者团队来自北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，针对一座三跨飞燕式异型钢管混凝土拱桥进行了1∶16缩尺模型的多子台积木式模拟振动台台阵试验。该研究获得了国家自然科学基金和北京市教育委员会科技计划重点资助项目的支持。飞燕式拱桥因其独特的双曲拱肋造型和异型截面钢管混凝土拱肋，在结构受力与抗震分析上比常规圆形或椭圆形截面拱桥更为复杂，其钢管混凝土拱肋的焊接工艺、截面几何特性以及动力响应均值得深入探讨。

核心试验方法与技术要点

振动台试验的核心在于多子台台阵系统的协调控制。研究采用了纵向、横向、竖向以及横向加纵向、横向加竖向的组合一致地震动输入和行波输入两种模式进行对比。行波效应对于大跨度拱桥而言尤为关键，因为地震波到达不同支点的时差会显著改变结构的动力响应分布。

从钢管混凝土拱肋的角度来看，试验获取了加速度、位移、应变及索力响应数据。其中，应变响应的测量对于评估拱肋钢管的局部稳定性至关重要。异型截面的钢管混凝土拱肋，其截面壁厚与宽厚比的选取直接决定了在地震作用下是否会发生局部屈曲。按照GB 50017的规定，钢管混凝土构件的宽厚比限值需要根据构件的受力状态进行验算，而在动力荷载作用下，材料的应变率效应和循环塑性变形累积会进一步降低构件的局部稳定性储备。

行波效应与一致输入的差异

行波输入条件下，不同支点处的地震波到达时间存在差异，导致拱肋各截面处的应变峰值出现时间错开，这种非同步变形会在拱肋钢管中产生额外的弯扭耦合应力。对于焊接而成的异型截面钢管拱肋，焊缝区域往往是应力集中的薄弱环节，行波效应可能加速焊缝附近材料的疲劳损伤累积。

钢管焊接工艺与结构抗震的关联

飞燕式拱桥的异型截面拱肋通常采用多块钢板焊接拼装而成，焊缝质量直接决定了结构在地震作用下的延性储备。在振动台试验中，应变计布置在拱肋的关键截面，包括拱顶、拱脚以及四分点处，这些位置恰好也是焊接接头最为密集的区域。

从焊接冶金的角度分析，地震循环荷载下焊缝金属和热影响区（HAZ）的力学性能会发生变化。焊接残余应力与地震动应力叠加后，可能导致HAZ区域的低塑性区出现微裂纹萌生。对于Q345或Q390级别的结构钢，其焊接工艺应严格控制预热温度（通常为100~150℃）和层间温度，以减小焊接残余应力对结构抗震性能的负面影响。

试验中索力响应数据的获取也具有重要意义。飞燕式拱桥通常设有吊杆或系杆，索力在地震作用下的变化反映了结构的整体变形协调性。若拱肋钢管因焊接缺陷或截面局部削弱而发生非预期的塑性变形，索力分布将出现异常，这在试验数据中可以通过索力传感器直接监测到。

工程实践启示

该振动台试验为异型钢管混凝土拱桥的抗震设计提供了宝贵的试验数据支撑。从钢管制造和焊接的角度来看，有以下几点值得重点关注。

第一，异型截面钢管拱肋的焊接接头应优先采用全熔透焊接，并在焊后进行超声检测（UT），确保焊缝内部无未熔合、气孔、夹渣等缺陷。对于大厚度异型截面，建议采用多层多道焊，严格控制每道焊的层间温度，避免热裂纹的产生。

第二，拱肋钢管的宽厚比设计需充分考虑地震作用下的局部稳定性需求。振动台试验中的应变数据可以反推钢管壁厚的实际应力状态，为宽厚比限值的确定提供试验依据。

第三，索力锚固区的焊接节点是结构抗震的薄弱环节，应进行专项的抗震验算和焊接工艺评定，确保锚固区焊缝在反复荷载下不发生脆性断裂。

该研究体现了试验研究与工程实践紧密结合的方法论，对于今后类似异型截面钢管混凝土拱桥的抗震设计具有重要的参考价值。