摘 要：【目的】以某剛架拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，測(cè)試其靜力和動(dòng)力特性，以評(píng)估其工作狀態(tài)和安全性能?！痉椒ā拷Y(jié)合靜動(dòng)載試驗(yàn)，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的振動(dòng)頻率、變形、應(yīng)變的實(shí)際響應(yīng)研究，并與有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較?！窘Y(jié)果】根據(jù)實(shí)測(cè)與模型的前六階頻率，求得前六階頻率比在0.913～1.005之間，各控制截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.24～1.56之間，變形校驗(yàn)系數(shù)在0.48～1.14之間?！窘Y(jié)論】從頻率看，橋梁整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能較弱，整體剛度不足；從撓度測(cè)試結(jié)果看，基本能滿足承載力要求，橫向聯(lián)系較弱；從應(yīng)變結(jié)果看，橋梁承載能力不滿足要求。因此該橋安全性能不滿足要求，應(yīng)立即采取措施限制重車通行。

關(guān)鍵詞：剛架拱橋；荷載試驗(yàn)；仿真模擬；承載能力；評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：U448.22" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2025）05-0080-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.05.015

Simulation and Static Load Test of a Rigid Frame Arch Bridge

MAO Fuchao

（Shandong Beiqi Engineering Construction Co.， Ltd.， Jinan 250000， China）

Abstract： [Purposes] Taking a rigid frame arch bridge as the research object， its static and dynamic characteristics were tested， and its working state and safety performance were evaluated. [Methods] Combined with static and dynamic load tests， the actual response of the vibration frequency， deformation and strain of the bridge structure under load was studied and compared with the results of finite element analysis.[Findings] The ratio of the first six frequencies measured and the first six frequencies obtained by the model was between 0.913 and 1.005. The strain calibration coefficient of each control section was between 0.24 and 1.56， and the deformation calibration coefficient was between 0.48 and 1.14.[Conclusions] From the frequency point of view， the dynamic performance of the overall structure of the bridge is weak， and the overall stiffness is insufficient. From the deflection test results， the bearing capacity requirements can basically be met， and the lateral contact is weak. From the strain results， the bearing capacity of the bridge does not meet the requirements. Therefore， the safety performance of the bridge does not meet the requirements， and measures should be taken immediately to limit the passage of heavy vehicles.

Keywords： rigid frame arch bridge; load test; simulation; bearing capacity; evaluation

0 引言

剛架拱橋是我國(guó)橋梁工程師20世紀(jì)80年代初在雙曲拱橋、桁架拱橋、肋拱橋和斜腿剛構(gòu)橋的基礎(chǔ)上創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出的一種新型輕型拱橋，屬于有推力的高次超靜定結(jié)構(gòu)。這種橋型具有構(gòu)件少、質(zhì)量輕、整體性好、剛度大、施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于跨徑25～70 m的橋梁中，且在我國(guó)部分地區(qū)占有相當(dāng)大的數(shù)量。但現(xiàn)在這類橋梁出現(xiàn)了不同程度的病害［1］，主要病害為現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)、弦桿、拱腿、實(shí)腹段等出現(xiàn)裂縫［2］，同時(shí)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在重車作用下會(huì)出現(xiàn)令人不適的振動(dòng)和晃動(dòng)，有的甚至出現(xiàn)局部振害，病害原因主要是汽車超載和結(jié)構(gòu)整體性差［3］，已經(jīng)嚴(yán)重影響了交通發(fā)展和人民群眾的生命安全，通過(guò)對(duì)剛架橋承載能力進(jìn)行研究，可以有效減少生命財(cái)產(chǎn)損失。所以對(duì)鋼架拱橋的承載能力和結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)估很有必要。本研究以某鋼筋混凝土剛架拱橋?yàn)楣こ虒?shí)例，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行仿真模擬及靜載試驗(yàn)來(lái)分析該橋梁的承載能力。

1 工程背景

該橋位于新疆維吾爾自治區(qū)，是東西走向的鋼筋混凝土剛架拱橋，建于1994年，跨徑50 m，矢跨比為1/10，設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽車—超20級(jí)、掛車—120，橋面寬度布置為16.5 m快車道+2×3.25 m分隔帶+2×6 m慢車道+2×1.5 m分隔帶+2×4.0 m人行道=46 m。

該橋按3幅布置，中間為快車道橋，兩側(cè)的慢車道和人行道各合并為一幅橋。該橋位于圓曲線內(nèi)（R=800 m），且有0.3%的縱坡，設(shè)計(jì)中拱片正置，快、慢車道之間懸臂板按直線設(shè)計(jì)，防撞護(hù)欄按曲線布設(shè)，人行道外側(cè)的曲線由現(xiàn)澆翼板形成。該橋上部構(gòu)造除橋面、翼板、填平層及接頭為現(xiàn)澆混凝土外，其余均為預(yù)制混凝土構(gòu)件。

該橋拱片現(xiàn)澆接頭采用C35混凝土，拱片、微彎板、現(xiàn)澆混凝土填平層、現(xiàn)澆翼板拱座、橋頭搭板采用C30混凝土，橋面鋪裝采用C30防水混凝土，欄桿、扶手、防撞護(hù)欄基座采用C25混凝土，橋臺(tái)側(cè)墻、前墻及臺(tái)身采用C20混凝土，橋臺(tái)基礎(chǔ)采用C15混凝土。本研究以中幅橋?yàn)槔M(jìn)行分析計(jì)算，中幅橋結(jié)構(gòu)布置示意如圖1所示。

根據(jù)該橋的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，該剛架拱橋的病害主要有以下幾種：①微彎板和橋面板有大量橫向和縱向裂縫，以縱向裂縫居多，跨中部位較明顯，橋面板混凝土腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重；②橫系梁有明顯豎向裂縫和混凝土脫落現(xiàn)象；③拱片跨中均出現(xiàn)嚴(yán)重豎向裂縫，拱片連接處鋼板嚴(yán)重腐蝕；④各拱片和斜撐連接處混凝土部分出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，有修復(fù)和水泥砂漿涂抹痕跡。

2 結(jié)構(gòu)仿真模擬

2.1 模型建立

本研究基于橋梁專用軟件Midas Civil建立了剛架拱橋空間有限元模型，全橋構(gòu)件采用三維梁?jiǎn)卧M。全橋共劃分1 246個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 052個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧? 332個(gè)，橋面板單元720個(gè)。該模型不考慮微彎板對(duì)全橋橫向剛度的貢獻(xiàn)，將拱頂部位的微彎板連同微彎板頂部填料簡(jiǎn)化為橫向變截面連續(xù)梁。橫系梁也采用梁?jiǎn)卧?。邊界條件為成橋狀態(tài)下的約束，即拱腿、斜撐邊界剛接，邊弦桿為豎向簡(jiǎn)支。在動(dòng)力特性分析計(jì)算中，上述均布荷載自動(dòng)轉(zhuǎn)化為質(zhì)量節(jié)點(diǎn)分布在橋面各節(jié)點(diǎn)上。全橋結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

2.2 動(dòng)力特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性可反映結(jié)構(gòu)的整體剛度及耗散外部振動(dòng)能量輸入的能力，同時(shí)，過(guò)大的動(dòng)力響應(yīng)會(huì)影響車輛安全行駛，應(yīng)予以設(shè)法避免。橋梁動(dòng)荷載試驗(yàn)采用脈動(dòng)試驗(yàn)方式，利用外界各種因素所引起的結(jié)構(gòu)微小而不規(guī)則的振動(dòng)來(lái)確定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。動(dòng)載測(cè)試采用DASP2010采集及分析系統(tǒng)對(duì)橋梁進(jìn)行采樣，根據(jù)橋梁長(zhǎng)度布置8個(gè)動(dòng)測(cè)傳感器。實(shí)測(cè)前六階頻率與模型，求得前六階頻率對(duì)比見(jiàn)表1，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2001）確定自振頻率評(píng)定標(biāo)度。由有限元模型可求得各階振型，該橋由模型求得的前六階振型如圖3所示。

3 靜載試驗(yàn)

橋梁荷載試驗(yàn)分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)，其中靜載試驗(yàn)是按照預(yù)定的試驗(yàn)?zāi)康募胺桨?，將靜止的荷載作用在橋梁的指定位置上，觀測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的靜力位移及應(yīng)變、裂縫等參量的變化，再根據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)程指標(biāo)判斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作性能及使用能力［4］。橋梁荷載試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)橋梁設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力，以及驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及方法是否合理，并進(jìn)行橋梁承載能力評(píng)定［5］。對(duì)既有舊橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)是評(píng)定舊、危橋承載能力的主要方法之一［6］。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況

3種試驗(yàn)加載車前后軸的軸重見(jiàn)表2。

中幅橋?yàn)殡p向四車道快速車道，橫向從上游至下游依次記為a、b、c、d車道，其中a、b車道為自西向東，c、d車道為自東向西，共設(shè)計(jì)了8種加載工況：工況一，1號(hào)車后軸中心線位于b車道L/4處（L為橋長(zhǎng)，下同）。工況二：1號(hào)車后軸中心線位于b車道L/2處；工況三，1號(hào)車后軸中心線位于c車道L/2處；工況四，1號(hào)車后軸中心線位于c車道L/4處；工況五，1號(hào)車后軸中心線位于a車道L/4處，2號(hào)車后軸中心線位于b車道L/4處；工況六，1號(hào)車后軸中心線位于a車道L/2處，2號(hào)車后軸中心線位于b車道L/2處；工況七，2號(hào)車后軸中心線位于c車道L/4處，3號(hào)車后軸中心線位于c車道L/2處；工況八，1號(hào)車后軸中心線位于c車道L/4處，3號(hào)車后軸中心線位于c車道L/2處，2號(hào)車后軸中心線位于b車道L/4處。工況一和工況八加載如圖4所示。

中幅橋共設(shè)33個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示，其中29～33測(cè)點(diǎn)位于小拱腿上，22～28測(cè)點(diǎn)位于拱腿的拱腳處。中幅橋共設(shè)置10個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)測(cè)撓度與理論計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)均從下游至上游（從南到北）編號(hào)，工況七條件下應(yīng)變實(shí)測(cè)與理論結(jié)果見(jiàn)表4，其中斜撐處布置了5個(gè)測(cè)點(diǎn)如圖5（a）所示，L/8處存在1個(gè)壞點(diǎn)。

4 結(jié)論

通過(guò)荷載試驗(yàn)及理論分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：①由外觀檢測(cè)結(jié)果可知，該橋存在多處嚴(yán)重病害，在拱圈的橫縱向和拱波與拱肋結(jié)合處均出現(xiàn)寬度超過(guò)1 mm的裂縫，超過(guò)了《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中裂縫的允許最大寬度。且根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T J21—2001）對(duì)該橋進(jìn)行綜合評(píng)定，總體得分77.7分，屬于3類橋，有中等缺陷。②從該橋的基頻看，不滿足我國(guó)規(guī)定的中小跨徑橋梁頻率不小于3 Hz的要求，說(shuō)明橋梁整體剛度不足。前5階實(shí)測(cè)頻率小于理論計(jì)算頻率，前5階評(píng)定標(biāo)度為3，也說(shuō)明橋梁整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能較弱，整體剛度不足。③在靜荷載作用下，根據(jù)撓度測(cè)試結(jié)果，只有3處校驗(yàn)系數(shù)大于1，基本能滿足承載力要求，說(shuō)明該橋梁仍具有正常使用的承載能力。但通過(guò)在同一工況下截面撓度沿橫向的分布情況可知，直接受力的梁撓度較其他梁的撓度檢驗(yàn)系數(shù)偏大，說(shuō)明橋梁橫向聯(lián)系較弱。④在靜荷載作用下，根據(jù)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果，主要測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)大于1，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2001）判定橋梁承載能力不滿足要求。加載車輛所在的拱肋實(shí)測(cè)應(yīng)變值較大，遠(yuǎn)離加載車輛的拱肋實(shí)測(cè)應(yīng)變相對(duì)較小，說(shuō)明橋梁各拱肋之間的橫向聯(lián)系偏弱，引起直接受力的拱肋應(yīng)力局部偏大。

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