458t超重車通行大跨度石板拱橋載荷試驗與分析

（福建路信交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，福州 350007）

458t超重車通行大跨度石板拱橋載荷試驗與分析

■劉麗煙

（福建路信交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，福州 350007）

本文在理論驗證的基礎(chǔ)上，通過等效荷載試驗和模擬通行試驗的方法，得出458t大件運輸車直接通行該橋是不安全的，需要增設(shè)鋼管拱肋的加固處理的結(jié)論。對類似工程具有參考價值，對舊橋，危橋的改造及應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

超重車 大跨徑 空腹式石板拱橋 試驗

1 前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，運輸?shù)男枰?，諸多上世紀(jì)末或本世紀(jì)初采用石板材修建的大量石板拱橋無法滿足較重荷載的通行能力。鑒此，本文以某重件運輸為背景，即福州閩侯縣道上某國家重點工程運輸大型變壓器的大件運輸車 (包括車頭連同設(shè)備的車貨總重為458t)，欲通行跨徑為50.5m的空腹式石板拱橋，通過等效荷載試驗和模擬通行的方法，計算結(jié)果表明大件運輸車直接通行該橋是不安全的，需要采取增設(shè)鋼管拱肋的加固措施來保障通行安全。

2 拱橋概況

本橋位于福州閩侯縣道上，道路等級為三級公路，設(shè)計行車時速為30km/h，道路路基寬度為7.5m，全幅水泥路面。橋梁上部構(gòu)造：空腹式石板拱橋，橋梁凈跨徑50.5m，凈矢高8.5m，凈矢跨比1/5.94，主拱圈高100cm；橋面寬度組成為0.5m(護欄)＋6.8m(行車道)＋ 0.5m(護欄)=7.8m。下部結(jié)構(gòu)：橋臺采用漿砌半細(xì)料石，基礎(chǔ)采用片石混凝土。橋梁立面圖如圖1所示。

在大件運輸車過橋前對大件車的軸距及軸重參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場實測，大件運輸車設(shè)備與車的總重為458t，其載重參數(shù)如圖2所示。

圖2 載重后大件運輸車軸重布置簡圖

3 拱橋的加固方案及理論驗證結(jié)果

采用有限元分析軟件MIDAS/civil建模計算，將橋面單元和拱上立柱單元設(shè)置為兩端鉸接，以使拱上建筑不參與結(jié)構(gòu)受力，拱頂配重?fù)Q算成節(jié)點質(zhì)量直接施加在相應(yīng)節(jié)點上，有限元模型見圖3。計算結(jié)果表明，兩拱腳的偏心距大于允許偏心距，不能滿足特載車輛通行要求，需對橋梁進(jìn)行加固。

圖3 有限元計算模型圖

考慮到施工工期短、對橋面通行影響小、新舊結(jié)構(gòu)接觸效果好等因素，該橋擬采用鋼結(jié)構(gòu)加固的方案。本方案采用在原橋拱肋下布置7道啞鈴形鋼管拱進(jìn)行支撐，鋼管厚12mm，鋼管拱肋之間設(shè)橫向聯(lián)系，為了保證拱肋與原拱肋底接觸良好，沿鋼管拱肋按適當(dāng)間距設(shè)置肋板增加接觸面，通過鋼管拱肋與原橋拱肋共同受力以減小原橋拱肋截面內(nèi)力，從而減小偏心距及截面應(yīng)力。腹拱圈采用按適當(dāng)間距設(shè)置圬工立墻加固，加固后橋梁總體立面圖見圖4，圖5。

加固后的結(jié)構(gòu)有限元模型為在原模型基礎(chǔ)上增加鋼管拱肋單元，鋼管拱肋各節(jié)點與原拱肋對應(yīng)節(jié)點之間采用只受壓邊界條件處理以模擬鋼管拱肋單元與結(jié)構(gòu)共同受力。通過結(jié)構(gòu)檢算，加固后該橋原拱肋控制截面偏心距、控制截面承載能力、鋼管拱肋截面上下緣應(yīng)力值均滿足設(shè)計要求，橋梁加固后可以滿足大件運輸車的通行要求。

圖5 加固橋梁總體立面圖

4 加固后拱橋的試驗與分析

4.1 靜載試驗

本次大件運輸車過橋車速緩慢，控制在5km/h左右，不考慮沖擊系數(shù)的影響，因此本次荷載試驗只需進(jìn)行靜載試驗。本次荷載試驗的控制截面為拱頂截面、距跨中5.5m截面 (白沙側(cè))和拱腳截面；撓度測點分別布置于距跨中5.5m截面 (白沙側(cè))和拱頂位置的新舊結(jié)構(gòu)下方，采用百分表讀數(shù)；應(yīng)變測點分別布置于三個控制截面的鋼管拱肋下方，通過應(yīng)變采集系統(tǒng)測得讀數(shù)。

本次試驗共設(shè)四個工況，為保證安全每個工況均采用多級加載，測得各級加載作用下的撓度、應(yīng)變，并實時觀測各級荷載作用下的試驗現(xiàn)象，試驗內(nèi)力荷載效率ηq在0.96~1.01之間，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中試驗效率要求 (1.05≥ηq≥0.95)，說明本次試驗?zāi)軌蚍磻?yīng)結(jié)構(gòu)的控制截面在458t大件運輸車作用下的工作性能。具體工況如下：

工況一：拱頂截面最大正彎矩和撓度 (中載)；

工況二：距跨中5.5m截面最大正彎矩 (中載)；

工況三：拱腳截面最大負(fù)彎矩 (中載)；

圖4 加固橋梁總體立面圖

工況四：拱腳最大水平推力 (中載)。

本次荷載試驗采用6軸平板車配合配重塊共同加載，通過平板車的移動來實現(xiàn)逐級加載。6軸平板車總軸重為2150kN，1#軸為150kN，2#~6#軸為400kN；工況一配重塊總重為576kN，工況二配重塊總重為700kN，工況三配重塊總重為360kN，工況四配重塊總重為1500kN。試驗車輛的軸重、軸距及平面布置見圖6，試驗加載布置詳圖見圖7。

圖6 6軸平板車軸重、軸距及平面圖 (單位：cm)

圖7 各工況試驗加載平面布置圖 (單位：cm)

表1 各工況作用下關(guān)鍵截面撓度

表2 各工況作用下關(guān)鍵截面應(yīng)變

分析表1及表2可知，各工況滿載作用下，關(guān)鍵截面主要測點應(yīng)變和撓度校驗系數(shù)分別在0.06~0.96和 0.23~0.75之間，滿足《評定規(guī)程》中結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)ζ＜1的要求，表明試驗跨橋跨結(jié)構(gòu)的強度和剛度滿足設(shè)計荷載要求；卸載后，各工況滿載作用下，主要撓度測點相對殘余值在0~19%之間，均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》的要求 (不大于20%)；卸載后，各工況滿載作用下，主要應(yīng)變測點相對殘余值大部分小于20%，小部分大于20%。分析相應(yīng)數(shù)據(jù)可知，在荷載作用下加固鋼管的應(yīng)變值很小，大部分測點應(yīng)變僅為10μ，這樣較小的殘余應(yīng)變也會導(dǎo)致相對殘余應(yīng)變超過20%，因此，該部分?jǐn)?shù)據(jù)僅做參考。

4.2 模擬通行試驗

本次通行試驗采用與實際通行一致的大件運輸車來模擬通行，車貨總重492.5t(載重配重塊約為實際變壓器重量的1.1倍)，主要監(jiān)測橋梁跨中截面動撓度和跨中、距跨中5.5m(白沙側(cè))及拱腳截面動應(yīng)變。

由圖8可知，同種結(jié)構(gòu)撓度變形規(guī)律和大小基本一致，行車經(jīng)過跨中時撓度最大；石板拱肋變形大于加固鋼管拱肋，經(jīng)分析可能原因是新舊結(jié)構(gòu)之間通過環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘結(jié)，在荷載作用下，舊結(jié)構(gòu)先開始變形，然后通過壓縮粘結(jié)環(huán)氧樹脂傳遞荷載到加固鋼管上，鋼管開始受力變形，結(jié)構(gòu)開始整體共同受力，該規(guī)律與靜載試驗結(jié)果一致。

由圖9可知，大件運輸車作用在兩拱腳時跨中測點應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，數(shù)值較小；不斷行駛到跨中時應(yīng)變轉(zhuǎn)為正值，且數(shù)值不斷增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)跨中時數(shù)值最大。

由圖10可知，大件運輸車不斷向5.5m位置行駛，應(yīng)變值不斷增大且為正值；行駛至5.5m位置時，正值最大；向前行駛，應(yīng)變數(shù)值不斷減小，到達(dá)另一側(cè)5.5m位置時出現(xiàn)負(fù)值最大；再行前行駛，負(fù)值不斷減小，直到大件車行駛過本橋，應(yīng)變值恢復(fù)到零。

由圖11可知，大件運輸車向前行駛拱腳應(yīng)變值不斷增大且為負(fù)值；當(dāng)行駛至影響線最大位置時，拱腳應(yīng)變數(shù)值最大，不斷向前行駛，應(yīng)變負(fù)值不斷減小，直至恢復(fù)到零。

圖8 跨中截面撓度時程曲線

圖9 跨中測點動應(yīng)變時程曲線

圖10 距跨中5.5m測點動應(yīng)變時程曲線

圖11 拱腳測點動應(yīng)變時程曲線

以上分析可知，加固后該橋跨中截面、距跨中5.5m截面、拱腳截面應(yīng)變時程曲線與單獨拱肋該截面的影響線一致，說明該橋在大件運輸車通行時，新舊結(jié)構(gòu)整體工作性能良好；同時各測點撓度最大值和應(yīng)變最大值均小于理論計算值。綜上表明，加固后該橋滿足458t大件運輸車的通行要求。

5 結(jié)束語

通過等效荷載試驗和模擬通行試驗，進(jìn)一步驗證了鋼結(jié)構(gòu)加固方案的可行性，同時該方法具有較大的實用性和優(yōu)越性，可為超重車輛過橋管理，尤其是通過大跨度石板拱橋提供借鑒，對舊、危石板拱橋的改造工程具有指導(dǎo)意義。

［1］李東哲，鄭朝陽，孫煥軍．重車過橋的驗算方法及加固與管理措施［J］．黑龍江水專學(xué)報，2001(1)：62-63.

［2］JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］JTG/TJ21-2011，公路橋梁承載力檢測評定規(guī)程［S］.