劉 恒 劉寧輝 楊 妲 劉華興

(湖南高速鐵路職業(yè)技術學院鐵道工程學院，湖南 衡陽 421002)

0 引言

石拱橋是一種古老的橋型，在山區(qū)、河谷應用較多，便于就地取材。但一些石拱橋由于建設年代較久遠，橋梁設計標準已不能滿足現(xiàn)今交通量的需求，因此需要進行拓寬加固。拓寬加固之前需要對結構進行驗算和試驗，以驗證結構承載能力是否能滿足新增荷載作用。荷載試驗能較直觀地反映結構受力和變形情況，應用較為廣泛。

1 工程概況

某石拱橋位于湖南西部山區(qū)，于20世紀80年代竣工，該橋橋跨結構形式為單跨空腹式石拱橋，主拱圈截面形式為倒T形板拱，由于建設年代久遠，原設計、施工資料缺失，現(xiàn)場實測該橋主拱圈為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.412，主拱圈凈跨徑40 m，橋面全寬5.5 m=凈5.0 m(行車道)+2×0.25 m(欄桿)，擬在兩側懸挑鋼筋混凝土梁，各加寬1 m，加寬后橋面全寬7.5 m=5.0 m(行車道)+2×1.0 m(人行道)+2×0.25 m(欄桿)，擬加固設計荷載為城—B級，人群3.5 kN/m2。橋面為現(xiàn)澆C40鋼筋混凝土，下部結構為重力式橋臺。

2 靜載試驗

2.1 有限元計算模型

依據現(xiàn)場實測數(shù)據，采用橋梁結構有限元分析軟件MIDAS/Civil建模分析。對該橋上部結構進行建模分析，共劃分為174個單元和141個節(jié)點。主拱圈和腹拱與橋臺連接邊界為剛接，腹拱與橫墻、橫墻與主拱圈采用一般彈性連接中的剛性連接，拱上填料采用梁單元模擬，在橋面混凝土和主拱圈、腹拱圈連接采用釋放梁端約束，承受和傳遞豎向荷載，不產生彎矩。全橋有限元模型見圖1。

2.2 測試內容

1)拱頂撓度。

撓度采用百分表測試，拱頂位置兩側各布置一個測點。撓度測點布置見圖2。

2)主拱圈應力。

在拱頂、拱腳截面主拱圈下緣兩側各粘貼一個應變片，應變采用JM3813多功能靜態(tài)應變儀測試。根據材料彈性模量由胡克定律計算得出各測點的應力。應變測點布置見圖2。

3)裂縫。

裂縫觀測先采用目測和望遠鏡搜索，發(fā)現(xiàn)有裂縫后采用裂縫觀測儀測量裂縫寬度，用鋼尺測量其長度。

2.3 試驗加載

經計算，本次試驗采用1臺總重450 kN的三軸汽車進行加載，一次性加載和一次性卸載。試驗共分為兩個工況。

工況Ⅰ：拱頂截面最大正彎矩(中載)。

拱頂截面彎矩影響線見圖3。

工況Ⅰ加載車輛布置見圖4。

工況Ⅱ：拱腳截面最大正彎矩(偏載)。

拱腳截面彎矩影響線見圖5。

工況Ⅱ加載車輛布置見圖6。

各工況荷載效率系數(shù)見表1。

表1 靜載試驗效率系數(shù)表

2.4 靜載試驗數(shù)據處理

1)拱頂撓度。

拱頂實測撓度由拱頂截面實測值進行支座修正后得到的數(shù)值，撓度數(shù)據見表2。

表2 撓度測試結果 mm

從表2中可以看出，各工況下各測點撓度校驗系數(shù)介于0.70～0.84之間，各測點校驗系數(shù)均小于1，各測點相對殘余變位均小于20%，說明在擬加固荷載等級作用下結構剛度較好。

2)主拱圈應力。

主拱圈實測應變由儀器自動記錄，應力根據胡克定律由實測應變和材料的彈性模量計算得出。各測試截面應變數(shù)據見表3，表中數(shù)據為同一截面兩處應變的平均值。

表3 應變測試結果 με

從表3中可以看出，各工況下各測點應變校驗系數(shù)介于0.76～0.78之間，各測點校驗系數(shù)均小于1，各測點相對殘余應變均小于20%，說明結構強度能滿足擬加固設計荷載作用。

3)裂縫。

未發(fā)現(xiàn)裂縫。

3 動載試驗

3.1 理論分析

利用上述模型，采用Lanczos法進行動力性能分析。全橋前兩階計算結果見表4，振型圖見圖7。

表4 模態(tài)計算結果表

3.2 自振特性結果

利用環(huán)境激勵測定結構自振特性，時程曲線和頻譜分析見圖8。

從圖8分析得出，結構一階自振頻率實測值為5.875 Hz，大于理論值2.439 Hz，說明結構剛度較好。

4 結語

1)在擬加固設計荷載作用下，各測點撓度、應變校驗系數(shù)介于0.70～0.84之間，均小于1，殘余變位基本上在20%以內，結構未出現(xiàn)裂縫，說明該橋安全儲備較高，能滿足擬加固設計荷載要求。

2)該橋試驗跨實測自振頻率大于理論計算值，結構動力性能滿足設計及規(guī)范要求。