某雙曲拱橋靜力荷載試驗(yàn)方法研究

■陳財(cái)煥（1.福建交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州35004）

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某雙曲拱橋靜力荷載試驗(yàn)方法研究

■陳財(cái)煥1，2
（1.福建交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州35004）

本文根據(jù)雙曲拱橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，闡明了積善橋靜載試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容和試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置方法，分析了靜載試驗(yàn)撓度和應(yīng)變變化情況，通過對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的整理與分析，評(píng)定該橋承載能力是否滿足設(shè)計(jì)荷載要求，為同類橋型的靜載試驗(yàn)提供思路。

靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置撓度應(yīng)變?cè)囼?yàn)方法

1工程概況

積善橋（圖1）位于三明市將樂縣，是縣道X752洋新線的一座三級(jí)公路橋，于2006年03月加固改造后通車。橋梁全長(zhǎng)148m，橋面寬為7.0m（車行道）+2×0.5m（欄桿）。上部結(jié)構(gòu)為4×30m空腹式等截面懸鏈線混凝土雙曲拱橋，拱軸線系數(shù)為m=4.324。主拱圈由拱肋、拱波及拱板等組成，拱肋采用矩形截面，拱板為填平式。主拱圈凈矢跨比為1/8，主拱圈全寬為7.8m，主拱圈全高0.85m。每片拱肋底寬為0.30m。拱波采用圓弧拱，凈跨徑為0.95m，厚0.06m，凈矢跨比為1/3。拱上建筑由石砌橫墻和石砌腹拱圈組成。腹拱圈為半圓弧拱，跨徑為1.50m，厚0.30m。橋面鋪裝采用水泥混凝土路面。橋墩采用重力式橋墩。橋臺(tái)采用漿砌塊石U型橋臺(tái)。設(shè)計(jì)荷載為汽-20級(jí)、掛-100。

圖1　積善橋全景圖

2典型病害及成因分析

根據(jù)外觀檢測(cè)結(jié)果，積善橋主要病害有以下幾種：

（1）拱肋側(cè)面多處出現(xiàn)豎向裂縫，部分延伸至拱肋底面；多處拱波出現(xiàn)縱向裂縫；多處橫系梁出現(xiàn)豎向裂縫。主要因?yàn)橥夂奢d長(zhǎng)期超載作用等原因所致。

（2）拱波出現(xiàn)多處縱向滲水流白灰。主要原因?yàn)闃蛎驿佈b層防水層老化破損、橋面排水不良等原因所引起。

（3）拱肋多處露筋。主要原因?yàn)楸Ｗo(hù)層厚度不足等原因所引起。

3靜載試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)工況及測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件、橋跨結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和外觀檢測(cè)結(jié)果，挑選外觀最不利跨第1跨和第2跨進(jìn)行荷載試驗(yàn)，各種試驗(yàn)工況具體如表1所示。

表1　試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

積善橋主要控制截面的撓度測(cè)點(diǎn)如圖2所示，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)如圖3所示。選取第1跨1-7#拱肋底部（1-7-6#橫系梁處）9條橫向裂縫延伸至拱肋兩側(cè)，最大縫寬0.18mm，進(jìn)行裂縫觀測(cè)。3.2靜載試驗(yàn)結(jié)果

圖2　積善橋各控制截面撓度測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

圖3　積善橋各控制截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

（1）荷載試驗(yàn)效率

本次試驗(yàn)根據(jù)該橋維修工程施工圖紙和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算，橋梁模型如圖4所示。以汽-20級(jí)、掛-100活載產(chǎn)生的該試驗(yàn)項(xiàng)目的最不利效應(yīng)值等效換算，確定所需的試驗(yàn)荷載。由表2可知，該橋的靜載試驗(yàn)荷載效率滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011，簡(jiǎn)稱規(guī)程）靜力荷載效率規(guī)定要求。

表2　靜載試驗(yàn)荷載效率計(jì)算一覽表

圖4　積善橋計(jì)算模型

（2）試驗(yàn)車輛

本次試驗(yàn)采用2輛重約35t的車輛進(jìn)行等效加載，加載車輛軸重如表3所示。

表3　試驗(yàn)加載車輛軸重表

（3）撓度測(cè)試結(jié)果與分析

在試驗(yàn)加載工況作用下，積善橋第1跨和第2跨主拱圈截面撓度校驗(yàn)系數(shù)見表4。

從表4可以看出，第1跨主拱圈拱頂截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.59～1.01，相對(duì)殘余撓度最大值為9.3%；第2跨主拱圈拱頂截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.60～1.02，相對(duì)殘余撓度最大值為10.3%，部分校驗(yàn)系數(shù)大于《規(guī)程》規(guī)定值1.0，相對(duì)殘余撓度均小于《規(guī)程》規(guī)定值20%。

積善橋的實(shí)測(cè)撓度較計(jì)算理論撓度偏大，表明積善橋結(jié)構(gòu)受損較嚴(yán)重，承載能力不足。相關(guān)部門應(yīng)及時(shí)制定應(yīng)急方案，不僅要對(duì)積善橋通行車輛噸位限載，還應(yīng)制定該橋的加固改造措施。

（4）應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與分析

在試驗(yàn)加載工況作用下，積善橋第1跨和第2跨的拱頂截面的應(yīng)變實(shí)測(cè)值及其與理論計(jì)算值的比較如表5所示，積善橋第1跨跨中截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.98～1.18，相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為4.8%；第2跨跨中截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.70～1.13，相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為6.1%。各截面應(yīng)變校檢系數(shù)部分大于《規(guī)程》規(guī)定值1.0，相對(duì)殘余應(yīng)變均小于《規(guī)程》規(guī)定值20%。

因應(yīng)變片粘貼在構(gòu)件表面，則積善橋應(yīng)變測(cè)試結(jié)果和撓度測(cè)試結(jié)果是相對(duì)應(yīng)的。從分析結(jié)構(gòu)可知，各拱肋應(yīng)變實(shí)測(cè)值和撓度實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本相同，表明應(yīng)變值和撓度值均可反應(yīng)橋梁承載能力受損情況。

表4　各控制截面撓度實(shí)測(cè)值及其與理論計(jì)算值比較表

表5　第1跨和第2跨跨中截面應(yīng)變分析表

（5）拱腳截面加載觀測(cè)結(jié)果

在工況5、工況6、工況11和工況12加載車輛作用下，0#臺(tái)和1#墩主拱圈拱腳截面處側(cè)面未發(fā)現(xiàn)明顯的錯(cuò)位和開裂現(xiàn)象。

（6）裂縫觀測(cè)結(jié)果

各試驗(yàn)工況作用下相應(yīng)控制截面未見新裂縫產(chǎn)生。積善橋第1跨選取計(jì)算的裂縫位置為：第1跨1-7#拱肋（1-7-6#橫系梁處）底部有9條橫向裂縫延伸至拱肋兩側(cè)，最大縫寬0.18mm。在荷載試驗(yàn)時(shí)，裂縫位置處粘貼的膠基應(yīng)變片（L=100mm）測(cè)得的彈性應(yīng)變和殘余應(yīng)變分別為ε1=67με和Sp1=3με，則該計(jì)算裂縫寬度增量為ω1=ε1/ （100L）=67/10000mm=0.007mm，卸載后裂縫基本恢復(fù)到初始寬度。

綜上分析可知，因積善橋撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系均有超過規(guī)范規(guī)定的限制，則該橋目前的承載能力不能滿足設(shè)計(jì)荷載要求。為保證橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全運(yùn)營(yíng)，建議該橋限載通行并降低荷載等級(jí)使用。鑒于該橋承載能力不能滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求，建議對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修，以滿足正常使用要求，維修期間應(yīng)加強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)的觀測(cè)和養(yǎng)護(hù)。

4結(jié)束語(yǔ)

橋梁荷載試驗(yàn)是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)物工作狀態(tài)進(jìn)行直接測(cè)試的一種鑒定手段，可直接了解橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，判斷實(shí)際承載能力，評(píng)價(jià)其在設(shè)計(jì)使用荷載下的工作性能。

本文分析了積善橋靜載試驗(yàn)方法的主要試驗(yàn)加載工況和撓度應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置，為同類橋梁靜載試驗(yàn)提供參照，通過靜載試驗(yàn)撓度值和應(yīng)變值的對(duì)比分析，表明應(yīng)變值和撓度值均可反應(yīng)橋梁承載能力受損情況。