■鐘　華

（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州　35004）

基于荷載試驗(yàn)的剛架拱橋承載能力分析

■鐘華1，2

（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州35004）

本文以某剛架拱橋?yàn)楸尘?，根?jù)剛架拱橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，闡明了剛架拱橋荷載試驗(yàn)測試內(nèi)容和試驗(yàn)測點(diǎn)布置方法，測出了靜載試驗(yàn)的撓度和應(yīng)變變化以及動(dòng)載試驗(yàn)的自振頻率和沖擊系數(shù)，通過對(duì)檢測數(shù)據(jù)的整理與分析，評(píng)定該橋承載能力是否滿足設(shè)計(jì)荷載要求，為同類橋型的荷載試驗(yàn)提供思路。

剛架拱橋荷載試驗(yàn)撓度應(yīng)變自振頻率沖擊系數(shù)承載能力

橋梁檢測荷載試驗(yàn)是將標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載的等效荷載施加于橋梁結(jié)構(gòu)的指定位置，檢測橋梁相關(guān)參數(shù)。橋梁荷載試驗(yàn)分為靜力荷載試驗(yàn)和動(dòng)力荷載試驗(yàn)。靜荷載試驗(yàn)?zāi)芊从硺蛄航Y(jié)構(gòu)的實(shí)際工作受力狀態(tài)，動(dòng)荷載試驗(yàn)則能反映出車輛荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性［1］。為了評(píng)定該橋承載能力是否滿足設(shè)計(jì)荷載要求，為同類橋型的設(shè)計(jì)、施工及荷載試驗(yàn)積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行荷載試驗(yàn)研究。

1　工程概況

某剛架拱橋全長253.43m。橋凈寬為2×7.0m（車行道）+1.0m（中央分隔帶）+2×2.5m（人行道）=20.0m。上部結(jié)構(gòu)為4孔凈跨50m鋼筋混凝土剛架拱橋，凈矢跨比f0/ L0=1/8。兩岸組合式橋臺(tái)采用10m鋼筋混凝土空心板梁。拱片混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為30號(hào)。兩橋臺(tái)臺(tái)身采用5號(hào)漿砌片塊石，其余均為15號(hào)片石混凝土填心、料石鑲面的重力式橋臺(tái)。墩臺(tái)基礎(chǔ)均為5號(hào)片石混凝土明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。該橋設(shè)計(jì)荷載為汽-20級(jí)、掛-100，人群荷載為3.5kN/m2。橋梁平面布置圖如圖1和圖2所示。

圖1　剛架拱橋立面圖

2　有限元模型

本次試驗(yàn)根據(jù)該橋維修工程施工圖紙和現(xiàn)場實(shí)測資料，基于梁格法理論［2］，應(yīng)用有限元軟件Midas進(jìn)行建模計(jì)算。主梁結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，其中拱腿、斜撐及橫向連接均采用桿單元模擬。橋梁模型如圖3所示。

圖2　剛架拱橋橫斷面圖

圖3　剛架拱橋計(jì)算模型

3　靜載試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)工況及測點(diǎn)布置

根據(jù)現(xiàn)場檢測條件、橋跨結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和外觀檢測結(jié)果，挑選外觀最不利跨第2跨進(jìn)行荷載試驗(yàn)，各種試驗(yàn)工況具體如表1所示。

表1　試驗(yàn)測試內(nèi)容

測點(diǎn)布置應(yīng)根據(jù)測試截面以及測試內(nèi)容合理布置，并應(yīng)能夠反映橋梁結(jié)構(gòu)的受力特征。該橋主要控制截面的撓度測點(diǎn)布置如圖4所示，應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖5所示。

圖4　剛架拱橋各控制截面撓度測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

圖5　剛架拱橋各控制截面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

3.2靜載試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1荷載試驗(yàn)效率

荷載試驗(yàn)應(yīng)盡量采用與控制荷載相同的荷載，而當(dāng)試驗(yàn)荷載與控制荷載有差別時(shí)，為保證試驗(yàn)效果，應(yīng)采用靜載試驗(yàn)效率 控制。

以汽-20級(jí)、掛-100活載產(chǎn)生的該試驗(yàn)項(xiàng)目的最不利效應(yīng)值等效換算，確定所需的試驗(yàn)荷載。由表2可知，該橋的靜載試驗(yàn)荷載效率 滿足《公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011，簡稱規(guī)程）［3］靜力荷載效率規(guī)定要求。

表2　靜載試驗(yàn)荷載效率計(jì)算一覽表

3.2.2試驗(yàn)車輛

綜合試驗(yàn)荷載效率、與設(shè)計(jì)荷載的等效性及車輛的機(jī)動(dòng)性，本次試驗(yàn)采用3輛重約42t的車輛進(jìn)行等效加載，加載車輛軸重如表3所示，各工況的加載布置如圖6所示。

表3　試驗(yàn)加載車輛軸重表

圖6　各工況車輛加載布置圖（單位：m）

3.2.3撓度測試結(jié)果與分析

在試驗(yàn)加載工況作用下，橋梁第2跨跨中正彎矩截面撓度校驗(yàn)系數(shù)見表4。

從表4可以看出，第2跨跨中最大正彎矩截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.63～0.98，相對(duì)殘余撓度最大值為4.6%。撓度校驗(yàn)系數(shù)均大于《規(guī)程》規(guī)定值1.0，相對(duì)殘余撓度均小于《規(guī)程》規(guī)定值20%。

3.2.4應(yīng)變測試結(jié)果與分析

在試驗(yàn)加載工況作用下，橋梁第2跨各工況控制截面的應(yīng)變實(shí)測值及其與理論計(jì)算值的比較如表5～7所示，第2跨跨中截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.59～0.98，相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為5.1%；第2跨結(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.60～0.96，相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為8.6%；第2跨拱腿最大負(fù)彎矩截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.60～0.88，相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為11.4%。

各截面應(yīng)變校檢系數(shù)部分大于《規(guī)程》規(guī)定值1.0，相對(duì)殘余應(yīng)變均小于《規(guī)程》規(guī)定值20%。

綜上結(jié)果，各控制截面測試的撓度和應(yīng)變值均小于理論值，表明荷載試驗(yàn)過程中橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和工作性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。撓度和應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)與相對(duì)殘余值均在規(guī)定限值內(nèi)，表明橋梁在荷載作用下處于彈性范圍內(nèi)。

4　動(dòng)載試驗(yàn)

4.1自振特性試驗(yàn)

通過脈動(dòng)試驗(yàn)，測定橋跨結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率，了解橋跨結(jié)構(gòu)豎向自振特性。在全橋橋跨支點(diǎn)、L/8、2L/8、3L/ 8、4L/8、5L/8、6L/8和7L/8截面相對(duì)應(yīng)的橋面上，沿右側(cè)放置脈動(dòng)測點(diǎn)傳感器。

對(duì)實(shí)測的信號(hào)經(jīng)FFT分析、模態(tài)分析，得到該橋的豎向1階自振頻率，實(shí)測和計(jì)算的自振特性參數(shù)如表8所示。

表4　第2跨跨中截面撓度實(shí)測值及其與理論計(jì)算值比較表

表5　第2跨跨中截面應(yīng)變分析表

表6　第2跨結(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩截面應(yīng)變分析表

表7　第2跨拱腿最大負(fù)彎矩截面應(yīng)變分析表

表8　豎向自振頻率分析

自振特性試驗(yàn)表明，該橋?qū)崪y豎向1階自振頻率為4.05Hz，大于理論計(jì)算值3.11Hz，阻尼比為0.81%，實(shí)測振型與理論計(jì)算振型基本吻合。表明橋梁整體剛度處于良好狀況。

4.2無障礙行車試驗(yàn)

用一輛載重汽車（單車總重約42t）以20km/h、30km/ h、40km/h不同的速度于橋面左側(cè)行駛，測試第2跨跨中最大正彎矩截面沖擊系數(shù)，評(píng)估結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)。測得截面沖擊系數(shù)如表9所示。

表9　第2跨跨中最大正彎矩截面沖擊系數(shù)

從表9可以看出，在行車速度20km/h、30km/h、40km/ h情況下，第2跨跨中最大正彎矩截面處測得沖擊響應(yīng)換算成標(biāo)準(zhǔn)車列后，實(shí)測的跑車沖擊系數(shù)為1.03、1.06和 1.09，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ 021-89）中沖擊系數(shù)μ的計(jì)算公式計(jì)算：20m≤L≤70m時(shí)，則1+μ=1+（70-50）/（50-20）×0.2=1.13（L=50m取該橋凈跨），可知實(shí)測沖擊系數(shù)均小于規(guī)范值1.13。表明該橋的動(dòng)力性能良好，隨著車速的增大，沖擊系數(shù)呈增大趨勢。

5　結(jié)論

綜上分析可知，該橋荷載試驗(yàn)測試內(nèi)容均未超過規(guī)范規(guī)定的限值，則該橋目前的承載能力尚能滿足設(shè)計(jì)荷載要求。

橋梁荷載試驗(yàn)是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)或?qū)嶋H承載能力的一種試驗(yàn)手段?？梢灾苯訖z驗(yàn)橋梁設(shè)計(jì)與施工的質(zhì)量，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力，測試研究橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及動(dòng)態(tài)反應(yīng)。

本文分析了剛架拱橋荷載試驗(yàn)方法的主要試驗(yàn)加載工況、撓度應(yīng)變測點(diǎn)布置以及動(dòng)力特性的測試方法，評(píng)估了橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量和承載能力，對(duì)為同類橋梁荷載試驗(yàn)提供經(jīng)驗(yàn)。

［1］張俊平．橋梁檢測與維修加固［M］．北京：人民交通出版社，2011．

［2］依.西.漢勃來（E.C.Hambly）.橋梁上部構(gòu)造性能［M］.北京：人民交通出版社，1982．

［3］中華人民共和國交通運(yùn)輸部．JTG/T J21-201l，公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程［S］．北京：人民交通出版社，2011．