多跨圬工拱橋震后荷載試驗(yàn)研究

刁 硯，黃 山

(西華大學(xué),四川成都610039)

橋梁荷載試驗(yàn)是對于新建橋梁和既有橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)及承載能力最直接有效的檢驗(yàn)辦法。荷載試驗(yàn)分為靜載和動載兩種，靜載是將靜止的等效荷載(多用載重的車輛充當(dāng))作用于橋梁上的控制截面位置，同時(shí)對該截面的應(yīng)變及撓度進(jìn)行測試；而動載則是將移動的荷載作用于橋梁上以測試其在動荷載如車輛荷載通過時(shí)橋梁工作性能的方法[1,2]。

在試驗(yàn)之前還需進(jìn)行理論計(jì)算，以前期計(jì)算結(jié)果制定試驗(yàn)方案并此作為現(xiàn)場試驗(yàn)過程中的控制指標(biāo)。同時(shí)還會將理論計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對比，以此判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)和承載能力[3]。

1 工程概況

雅安某多跨圬工拱橋(圖1)是一座7跨30 m，總長239.4 m，橋面全寬12 m的圬工拱橋，每跨拱圈凈跨為30 m，凈矢高為6 m，矢跨比為1/5，拱圈厚0.8 m。由于修建時(shí)間較長，且經(jīng)過雅安7.0級地震影響，本橋已發(fā)生了一定程度的病害，為全面檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性以及是否滿足有關(guān)公路橋梁規(guī)范及設(shè)計(jì)要求[4、5]，進(jìn)一步確定橋梁的承載能力和通行能力，為該橋下一步的維修和加固提供依據(jù)，該橋進(jìn)行了動靜載相結(jié)合的橋梁荷載試驗(yàn)。

圖1 7×30 m多跨圬工拱橋

2 靜載試驗(yàn)方案

該橋的荷載試驗(yàn)控制截面見圖2。拱腳截面、L/4截面、拱頂截面靜力加載試驗(yàn)，測試主要內(nèi)容包括：

(1)第二跨(加載跨)拱腳截面、L/4截面和L/2截面的應(yīng)力測試；

(2)第二跨(加載跨)L/2、L/4截面的撓度測試和第一跨(相鄰跨)的L/2截面撓度測試。

圖2 測試截面布置示意

因橋面行車道寬度為8.5 m，故靜載試驗(yàn)每個(gè)控制截面都包括正載和偏載兩種工況。

車輛加載位置和工況的確定原則及依據(jù)是：盡可能用最少的加載車輛使控制截面達(dá)到最大的試驗(yàn)荷載效率，該橋確定的試驗(yàn)加載截面及檢測項(xiàng)目見表1。

表1 試驗(yàn)加載截面及測試項(xiàng)目

圖3 工況一、工況二(拱腳截面最大負(fù)彎矩)

圖4 工況三、工況四(L/4截面最大正彎矩)

圖5 工況五、工況六(跨中截面最大正彎矩)

圖6 試驗(yàn)荷載橫橋向布置(單位：cm)

采用滿堂支架進(jìn)行應(yīng)變測點(diǎn)布置，應(yīng)變測點(diǎn)沿縱橋向布置于加載跨主拱圈L/2截面、L/4截面、拱腳截面。測試斷面應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖8所示。

圖7 主拱圈測試斷面布置圖

撓度測點(diǎn)布置橋面上下游側(cè)，觀測結(jié)構(gòu)豎向變位。測點(diǎn)布置見圖8所示：

(a)第二跨(加載跨)

(b)第一跨(相鄰跨)圖8 測試截面撓度測點(diǎn)布置示意

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 撓度測試結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)

橋梁跨中截面在試驗(yàn)荷載作用下?lián)隙仍囼?yàn)值與計(jì)算值比較見表2，其中正值代表向下，負(fù)值代表向上，撓度測點(diǎn)編號見圖8，其中，7、8號測點(diǎn)為相鄰跨的跨中撓度測點(diǎn)，其代表了荷載加載時(shí)，相鄰跨所受到的連拱效應(yīng)影響。因篇幅有限，此處僅列出工況五、工況六的情況。

從上表中數(shù)據(jù)可以看出，測試截面在工況五、工況六下跨中撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，表明其剛度滿足公路—II級荷載等級要求，同時(shí)，偏載效應(yīng)較小，但相鄰拱跨之間有一定的連拱效應(yīng)。

3.2 應(yīng)力測試結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)

在試驗(yàn)荷載作用下，各控制截面在不同工況下的實(shí)測值與計(jì)算值比較見表3，因篇幅有限，此處僅列出跨中截面的情況，表中數(shù)據(jù)以受拉為正，受壓為負(fù)，單位均為MPa。

表3 跨中截面應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值的比較

說明：其中/表示其絕對值過小，若計(jì)算則誤差較大，故不計(jì)入。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，拱橋應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均小于1，表明其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 殘余變形分析及裂縫觀測

測試前、后對控制截面進(jìn)行裂縫開展的檢查，未發(fā)現(xiàn)有新裂縫的產(chǎn)生。

4 動載試驗(yàn)結(jié)果

4.1 自振特性測試結(jié)果

自振頻率的計(jì)算采用有限元程序MIDAS/CIVIL[6]建模計(jì)算得到，有限元模型自振頻率圖見圖9所示。

圖9 橋梁自振頻率有限元計(jì)算圖(f=5.65 Hz)

自振頻率的測試采用環(huán)境激勵(lì)法測得，實(shí)測頻譜圖見圖10所示。

圖10 跨中截面自振頻率實(shí)測圖(f=4.49 Hz)

從計(jì)算值5.65 Hz與實(shí)測值4.49 Hz對比可以看出，結(jié)構(gòu)自振頻率實(shí)測值小于計(jì)算值，這是因?yàn)楣皹騼?nèi)部的一些缺陷降低了橋梁本身的剛度，使得拱橋自振頻率偏小。

4.2 行車激振試驗(yàn)測試結(jié)果及分析

不同速度的無障礙行車和有障礙行車(跳車)激振下跨中截面激振圖見圖11、圖12，因篇幅關(guān)系僅列出無障礙行車30 km/h和跨中跳車15 km/h激振。

圖11 跨中截面無障礙行車30 km/h激振

圖12 跨中截面跳車行車15 km/h激振

通過激振試驗(yàn)測得活載在以不同速度通過橋梁之后的激振波形圖，活載動力增大系數(shù)(1+μ)，可根據(jù)測記的測點(diǎn)動撓度和動應(yīng)變時(shí)程曲線進(jìn)行整理分析。

通過模態(tài)軟件的分析，在不同車速下，跨中截面的跳車沖擊系數(shù)見表4。

表4 實(shí)測跨中截面動應(yīng)力沖擊系數(shù)(1+μ)

本次試驗(yàn)拱橋?qū)崪y基頻為f=4.49 Hz，由交通部《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[5]的規(guī)定計(jì)算可得，該橋的沖擊系數(shù)為1.25。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以看出：

跨中截面行車沖擊系數(shù)最大數(shù)值為1.26，跨中截面跳車沖擊系數(shù)最大數(shù)值為1.61，均大于規(guī)范計(jì)算值，沖擊系數(shù)較大，行車時(shí)振動明顯，考慮到橋面鋪裝層有多處損害，橋面破損和局部坑洼對行車有較大影響，造成行車對橋梁的沖擊作用較大。

5 試驗(yàn)結(jié)論分析及建議

5.1 試驗(yàn)結(jié)論

(1)測試截面在各工況下跨中撓度及截面應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均小于1，表明其剛度和強(qiáng)度滿足公路—Ⅱ級要求, 且偏載效應(yīng)較小。

(2)實(shí)測結(jié)構(gòu)基頻為4.49 Hz，小于計(jì)算值5.65 Hz，表明結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些病害和缺陷對結(jié)構(gòu)剛度有一定影響，使得頻率有所下降。

(3)跨中截面跑車沖擊系數(shù)最大數(shù)值為1.26，跨中截面跳車沖擊最大數(shù)值為1.61，均大于規(guī)范計(jì)算值，說明橋梁結(jié)構(gòu)行車性能較差，考慮到橋面鋪裝層有部分損害，橋面破損開裂和局部坑洼對行車有較大影響，造成行車對橋梁的沖擊作用較大。

5.2 建議

通過對雅安地震后某多跨圬工拱橋的結(jié)構(gòu)外觀損傷檢測及靜動載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該橋出現(xiàn)了一定程度的病害和損傷，其中第二跨主拱圈和其余跨的腹拱圈砌縫出現(xiàn)了一定程度的滲水和砌縫空洞現(xiàn)象，因此必須采取一定的維修加固措施，對該橋進(jìn)行維修加固，以保證橋梁的安全運(yùn)營。

(1)為了提高橋梁構(gòu)件的整體性，對檢測中發(fā)現(xiàn)的裂縫進(jìn)行封閉和裂縫治理。對砌體裂縫，采用高壓壓注水泥砂漿的方法進(jìn)行治理,使之成為一體受力。

(2)對橋面鋪裝層進(jìn)行整治，鑿除破損開裂的橋面鋪裝，重新鋪筑橋面鋪裝層，使行車平順，減小因橋面不平所造成的跳車對橋梁的沖擊作用。

(3)部分腹拱有較嚴(yán)重的滲水和砌縫空洞現(xiàn)象，為修補(bǔ)和增強(qiáng)腹拱的承載能力，建議可對腹拱采用U型套箍混凝土進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)，為了保證施工質(zhì)量，確保新老結(jié)構(gòu)共同作用，腹拱圈的套箍砼應(yīng)采用自密實(shí)微膨脹砼，并在拱圈表面上植筋以增加新老結(jié)構(gòu)的粘結(jié)。

本次通過對該拱橋的靜動載試驗(yàn)，獲得了該橋的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及整體受力性能情況，為今后該橋的綜合評估，修復(fù)、加固或重建提供了技術(shù)依據(jù)。

[1] 滑思慶，李剛，陳飛.簡述橋梁荷載試驗(yàn)[J].山西建筑,2008,34(9)

[2] 代少敏,劉顯陸.橋梁荷載試驗(yàn)要點(diǎn)評述與展望[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2009,(6)

[3] YC4-4/1982大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法[S]

[4] JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]

[5] JTG D61-2005公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[6] 邱順冬. 橋梁工程軟件Midas Civil應(yīng)用工程實(shí)例[M].北京: 人民交通出版社,2011