鋼筋混凝土剛架拱橋荷載試驗研究

■　曾志超（泰寧縣交通運輸局，泰寧　354400）

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鋼筋混凝土剛架拱橋荷載試驗研究

■曾志超
（泰寧縣交通運輸局，泰寧354400）

摘要鋼筋混凝土剛架拱橋是一種適用于地質(zhì)條件較好的山區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)形式。為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營，需要對剛架拱橋進行荷載試驗。松光大橋主跨60m，在橋梁通車前進行了荷載試驗，對靜力荷載工況下的橋梁結(jié)構(gòu)應變、撓度，和動力荷載工況下的自振模態(tài)、沖擊系數(shù)進行了測試，并結(jié)合有限元模型的理論計算結(jié)果進行分析。荷載試驗結(jié)果表明：松光大橋整體工作性能處于彈性狀態(tài)，承載能力滿足設計荷載等級的使用要求。

關鍵詞橋梁工程鋼筋混凝土剛架拱橋荷載試驗

0　引言

福建省泰寧縣是全國著名風景名勝，以旅游業(yè)為主。由于道路交通量不大，且地處山區(qū)，地質(zhì)條件較好，因此造型優(yōu)美、取材方便的拱橋在泰寧縣得到了普遍運用。作為混凝土拱橋中應用較為廣泛的一種，鋼筋混凝土剛架拱橋的主要承重結(jié)構(gòu)由剛架拱片、橫梁、微彎板等組成，是一種有推力拱，因此適用于地質(zhì)條件較好的山區(qū)。其優(yōu)點在于自重較輕、取材方便、整體性好、剛度較大等。

但是，在荷載作用下，剛架拱橋容易出現(xiàn)諸如拱片、微彎板和橋面板開裂等病害。因此，為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營，為橋梁的管理養(yǎng)護工作提供原始參數(shù)，需要針對剛架拱橋的結(jié)構(gòu)特點和實際車輛荷載等級，采取科學、合理的方法開展荷載試驗。

1　工程概況

泰寧縣松光大橋（如圖1）位于福建省泰寧縣，橋梁主跨60m，全長81.60m，是一座鋼筋混凝土剛架拱橋。橫橋向由4片拱片組成，中距3.20m。支座采用鋼板支座。全橋兩橋臺上設置2道伸縮縫。橋面橫坡通過橋面鋪裝調(diào)整，支座水平設置。下部構(gòu)造橋臺采用重力式U型臺。建設完成后大橋照片如圖2所示。

圖1　松光大橋總體布置圖（單位：cm）

圖2　泰寧松光大橋照片

為了檢驗設計理論和施工質(zhì)量的可靠性，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足設計與規(guī)范要求，掌握大橋橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件在車輛動靜荷載作用下的靜動力反應的技術資料，本文針對泰寧松光大橋進行靜動載試驗研究，并將試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果進行了比較。荷載試驗依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）執(zhí)行。

2　有限元模型

采用MIDAS/CIVIL空間有限元軟件，建立了松光大橋荷載試驗的有限元分析模型。剛架拱片、橫系梁和行車道系采用三維梁單元進行模擬。其有限元模型見圖3。

圖3　松光大橋有限元模型

3　靜載試驗

3.1靜載試驗工況

根據(jù)松光大橋的結(jié)構(gòu)受力特點，選擇全橋計算的內(nèi)力包絡圖，對拱頂最大正彎矩、松光花園側(cè)拱腿最大軸力、松光花園側(cè)大節(jié)點最大正彎矩、松光花園側(cè)拱腿拱腳處最大負彎矩、松光花園側(cè)斜撐最大軸力進行測試，共分4個加載工況，按照最不利加載原則，均采取偏心加載方式進行。加載工況和試驗效率見表1。

表1　靜載試驗加載工況及試驗效率

3.2靜載測點布置

各撓度及應變測試截面見圖4和圖5。

圖4　撓度測點布置（單位：cm）

圖5　應變測點布置（單位：cm）

3.3試驗結(jié)果與分析

加載工況下，各測點的應變校驗系數(shù)見表2，各測點的撓度校驗系數(shù)見表3。從靜載試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

（1）荷載作用下控制截面應變校驗系數(shù)最大值為0.95，滿足《規(guī)程》不大于1.00的要求。

（2）卸載后的相對殘余應變最大值為10.00％之間，滿足《規(guī)程》中小于20％的規(guī)定。

（3）荷載作用下控制截面撓度校驗系數(shù)最大值為0.85，滿足《規(guī)程》不大于1.00的要求。

（4）卸載后的相對殘余應變最大值為9.88％之間，滿足《規(guī)程》中小于20％的規(guī)定。

表2　各加載工況的應變校驗系數(shù)和殘余應變

表3　各加載工況的撓度校驗系數(shù)和殘余變形

4　動載試驗

4.1動載試驗工況

利用環(huán)境振動試驗對松光大橋進行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，利用強迫振動試驗（包括跑車、剎車和跳車試驗）對松光大橋在移動車輛荷載作用下的振動和沖擊反應進行分析。動載試驗工況及內(nèi)容見表4。

表4　動載試驗測試工況

4.2動載試驗測點布置

動載試驗測點布置如圖6～圖10所示。

圖6　環(huán)境振動測點平面布置圖（單位：cm）

圖7　無障礙行車加速度測點平面布置圖（單位：cm）

圖8　無障礙行車動應變測點縱向布置圖（單位：cm）

圖9　1-1截面動應變測點橫向布置圖（單位：cm）

圖10　2-2截面動應變測點橫向布置圖（單位：cm）

4.3試驗結(jié)果與分析

松光大橋主橋的面內(nèi)外理論模態(tài)和試驗模態(tài)列于表5。從表5可以看出，可以看出，結(jié)構(gòu)實測的前四階自振頻率中，除第2階豎向反對稱頻率略小于理論值外，其他實測值均大于理論計算值，說明該橋總體剛度較理論為大，結(jié)構(gòu)傳遞振動能力及均質(zhì)性較好。

松光大橋拱頂截面在跑車荷載作用下的實測動應變時程曲線如圖11～圖14所示。將實測應變時程曲線進行時域分析后得不同車速下的沖擊系數(shù)，并與設計沖擊系數(shù)進行比較，如表6所示。對于松光大橋，實測的標準荷載作用下的沖擊系數(shù)為0.022～0.189。該橋理論結(jié)構(gòu)基頻為3.88Hz，按《公路橋涵設計通用規(guī)范》JTG D60-2004中第4.3.2條的規(guī)定，設計沖擊系數(shù)μ應取0.224。因此，該橋標準荷載作用下的實測沖擊系數(shù)比設計值小。

表5　松光大橋的基本模態(tài)

圖11　5km/h行駛時拱頂截面測點動應變時程曲線

圖12　10km/h行駛時拱頂截面測點動應變時程曲線

圖13　20km/h行駛時拱頂截面測點動應變時程曲線

圖14　30km/h行駛時拱頂截面測點動應變時程曲線

表6　松光主橋?qū)崪y沖擊系數(shù)μ

5　結(jié)論

（1）松光大橋主橋靜載試驗按設計荷載等級進行等效布載，靜載試驗試驗效率η＝0.96～1.03，滿足《規(guī)程》中的要求，說明本次荷載試驗反應了橋跨結(jié)構(gòu)在標準荷載作用下的受力性能。

（2）靜載試驗主梁的應變、撓度校驗系數(shù)小于《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》規(guī)定的1.00的限值要求，說明橋跨結(jié)構(gòu)的截面剛度和整體剛度滿足要求。

（3）荷載卸零后，各測點的相對殘余變形在10％以內(nèi)，滿足《規(guī)程》中殘余變形不大于20％的要求。

（4）動載試驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)實測自振頻率與跨徑相近的同類橋梁相比，在正常范圍以內(nèi)，且略大于理論計算值，同時實測的阻尼比在常值范圍以內(nèi)，說明橋梁的總體剛度較好，結(jié)構(gòu)傳遞振動能力及均質(zhì)性較好；橋面無障礙行車情況下，結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)滿足規(guī)范規(guī)定，橋梁動力性能較好；各行車速度下橋梁加速度最大值均小于人體不適限制，說明該橋行車舒適性較好。

（5）通過對松光大橋進行荷載試驗以及對試驗數(shù)據(jù)的計算分析表明，松光大橋整體工作性能處于彈性狀態(tài)，承載能力滿足設計荷載等級的使用要求。

參考文獻

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