基于荷載試驗(yàn)的空腹式雙曲拱橋工作性能分析

黃志斌

（京福閩贛鐵路客運(yùn)專線有限公司，福建福州350013）

基于荷載試驗(yàn)的空腹式雙曲拱橋工作性能分析

黃志斌

（京福閩贛鐵路客運(yùn)專線有限公司，福建福州350013）

以某空腹式雙曲拱橋?yàn)楸尘?，采用MIDAS有限元軟件建立理論模型，再進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)，將實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值及相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行比較分析，評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的實(shí)際工作性能。結(jié)果表明，該橋能滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求，并為同類橋梁的工作性能分析提供參考。

空腹式雙曲拱橋；荷載試驗(yàn)；工作性能

雙曲拱橋不僅具有傳統(tǒng)石拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還具有裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)［1］，無(wú)需拱架施工，施工進(jìn)度更快，工料損耗更少；但也因此呈現(xiàn)出組合結(jié)構(gòu)的受力特征，整體性相對(duì)較弱。橋梁荷載試驗(yàn)可以直接測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)特性，是橋梁承載力評(píng)價(jià)中最有效、最直接的方法［1-4］。本文以多跨連續(xù)空腹式雙曲拱橋?yàn)槔?，介紹該類橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)，并對(duì)橋梁實(shí)際狀況做出評(píng)估，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)，為使用階段的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和運(yùn)營(yíng)管理提供依據(jù)。

1　工程概況

某多跨連續(xù)空腹式雙曲拱橋位于某市區(qū)，全長(zhǎng)288.37 m，設(shè)計(jì)橋型為7孔等跨連續(xù)雙曲拱，單孔凈跨徑35 m，凈矢高7 m，矢跨比1/5，采用懸鏈線結(jié)構(gòu)形式，拱軸系數(shù)m=4.324。橋面布置為凈7 m（行車道）+2×1.0 m（人行道），主拱圈厚度為1.00 m，采用C25混凝土。拱上建筑由混凝土填料、橫墻和腹拱圈組成，腹拱圈為圓弧拱，直徑2.5 m，厚度0.3 m，如圖1所示。橋臺(tái)為漿砌塊石U型臺(tái)。設(shè)計(jì)荷載：汽－20級(jí)、掛-100。洪水設(shè)計(jì)或然率為100年一遇。為了解橋跨主體結(jié)構(gòu)在交通車輛荷載作用下的實(shí)際受力狀態(tài)，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的工作性能，對(duì)該橋第2跨和第7跨進(jìn)行了靜動(dòng)載試驗(yàn)。

圖1　某空腹式雙曲拱橋總體布置圖

2　荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1試驗(yàn)內(nèi)容

2.1.1靜載實(shí)驗(yàn)

在相于當(dāng)設(shè)計(jì)荷載的試驗(yàn)荷載工況下，測(cè)試控制截面的應(yīng)變、撓度、水平位移和裂縫，評(píng)定實(shí)際受力效應(yīng)。

2.1.2動(dòng)荷載實(shí)驗(yàn)

（1）動(dòng)力特性試驗(yàn)：利用環(huán)境隨機(jī)激勵(lì)，采用先進(jìn)的分析技術(shù)得到橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率，以分析橋跨結(jié)構(gòu)自振特性。

（2）無(wú)障礙行車試驗(yàn)：在橋面無(wú)任何障礙的情況下，測(cè)定跑車試驗(yàn)撓度時(shí)程曲線和最大動(dòng)應(yīng)變，計(jì)算沖擊系數(shù)。

2.2靜載試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)工況

以該橋施工圖為依據(jù)，采用MIDAS軟件建模及計(jì)算分析［5］，橋梁模型如圖2所示。

為保證試驗(yàn)的有效性，根據(jù)加載效率要求和試驗(yàn)等效原則，以最不利效應(yīng)值等效換算，確定所需的試驗(yàn)荷載。然后再根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，確定各跨主要測(cè)試截面及其試驗(yàn)工況，具體見(jiàn)圖3及表1。同時(shí)，表2列出該橋試驗(yàn)荷載效率。

圖2　橋梁模型圖

圖3　試驗(yàn)測(cè)試截面示意圖

表1　加載工況

表2　靜力試驗(yàn)荷載效率

根據(jù)文獻(xiàn)［6］第8.1.2的規(guī)定，該橋試驗(yàn)荷載效率系數(shù)η的取值范圍為：0.95≤η≤1.05。由表2可知，本次試驗(yàn)荷載效率η均滿足規(guī)范要求，試驗(yàn)加載有效。

2.2.2測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置：在各控制截面拱肋底面粘貼混凝土應(yīng)變片，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

撓度測(cè)點(diǎn)布置：在各控制截面拱肋對(duì)應(yīng)的橋面位置架設(shè)塔尺，各控制截面撓度測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。

圖4　各控制截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖　

圖5　各控制截面撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

水平位移：在7#臺(tái)起拱線處上下游分別安裝順橋向的位移計(jì)，觀測(cè)橋臺(tái)的順橋向水平位移，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6。

圖6　拱腳截面水平位移測(cè)點(diǎn)布置圖

裂縫觀測(cè)：在第2跨拱頂截面拱肋橫向裂縫位置跨裂縫粘貼應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量。

2.2.3靜載試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)加載工況作用下，各控制截面的實(shí)測(cè)撓度及其與理論計(jì)算值的比較如表3～4所示，實(shí)測(cè)應(yīng)變及其與理論計(jì)算值的比較如表5所示。

經(jīng)過(guò)橋梁靜載試驗(yàn)，該橋第2跨拱頂截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.53～0.54，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.58～0.62；第2跨L/4和3L/4截面撓度絕對(duì)值之和校驗(yàn)系數(shù)為0.69～0.78，L/4截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.62～0.72；第7跨拱頂截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.50～0.52，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.67～0.78；第7跨拱腳截面拱肋底面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.47～0.54；各截面撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于文獻(xiàn)［6］規(guī)定值1.00；各截面相對(duì)殘余撓度和相對(duì)殘余應(yīng)變均小于文獻(xiàn)［6］規(guī)定值20%。

在工況5、6作用下，第7跨7#臺(tái)沒(méi)有發(fā)生水平位移。

在工況1、2作用下，第2跨拱頂截面各拱肋橫向裂縫最大開(kāi)展寬度為0.005mm，卸載后均恢復(fù)。

表3　各控制截面撓度分析之一

表4　各控制截面撓度分析之二

表5　各控制截面應(yīng)變分析

2.3動(dòng)載試驗(yàn)

2.3.1自振特性試驗(yàn)

基于各測(cè)點(diǎn)（各跨八分點(diǎn)位置）傳感器的實(shí)測(cè)信號(hào)，經(jīng)FFT分析及模態(tài)分析［7-8］，獲取該橋豎向1階自振頻率及振型，與計(jì)算值對(duì)比如表6所示。由表可知，實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算振型基本吻合；實(shí)測(cè)豎向1階自振頻率為2.357 Hz，略大于理論計(jì)算值2.092 Hz，表明該橋上部結(jié)構(gòu)自振特性較好。

表6　實(shí)測(cè)與計(jì)算自振頻率及振型對(duì)比

2.3.2無(wú)障礙行車試驗(yàn)

由1輛總重約40 t的載重汽車分別以10 km/h、20 km/h和30 km/h的車速通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)，測(cè)試第7跨跨中截面跑車試驗(yàn)撓度時(shí)程曲線，如圖7所示。

圖7　跑車試驗(yàn)撓度時(shí)程圖

由圖7可知，在不同行車速度作用下，實(shí)測(cè)的跑車沖擊系數(shù)分別為1.02、1.02和1.07。依據(jù)文獻(xiàn)［9］換算沖擊系數(shù)的上限值：當(dāng)1.5 Hz≤f≤14 Hz時(shí)，1+μ=1+（0.1767lnf-0.0157）=1.12（f取橋面實(shí)測(cè)豎向一階頻率），因此實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)均小于規(guī)范值。

3　結(jié)論

對(duì)雙曲拱橋進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)，荷載效率η為0.96～1.01，滿足規(guī)范要求，試驗(yàn)加載有效。將測(cè)試結(jié)果和MIDAS軟件計(jì)算值及相關(guān)規(guī)范值進(jìn)行比較和分析，得到結(jié)論如下：

（1）橋梁靜載試驗(yàn)表明：該橋各截面撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于文獻(xiàn)［6］規(guī)定值1.00；各截面相對(duì)殘余撓度和相對(duì)殘余應(yīng)變均小于文獻(xiàn)［6］規(guī)定值20%。第7跨7#臺(tái)沒(méi)有發(fā)生水平位移，第2跨拱頂截面各拱肋橫向裂縫最大開(kāi)展寬度為0.005 mm，卸載后均恢復(fù)。該橋的實(shí)際強(qiáng)度高于理論計(jì)算強(qiáng)度，實(shí)際剛度大于理論計(jì)算的剛度。

（2）橋梁動(dòng)載試驗(yàn)表明：該橋?qū)崪y(cè)振型與理論計(jì)算振型一致，該橋?qū)崪y(cè)豎向1階自振頻率為2.357 Hz，大于理論計(jì)算值2.092 Hz；行車試驗(yàn)沖擊系數(shù)分別為1.02、1.02和1.07，小于理論計(jì)算值1.12，滿足規(guī)范要求。橋梁上部結(jié)構(gòu)自振特性較好，結(jié)構(gòu)整體動(dòng)剛度較高。

綜上所述，該雙曲拱橋能滿足汽－20級(jí)、掛-100荷載等級(jí)要求，且有一定的安全儲(chǔ)備。

［1］王敏強(qiáng)，王樂(lè)，張桓，等.空腹式雙曲拱橋有限元分析與試驗(yàn)研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2005，38（5）：89-94.

［2］馬超，孫韋.評(píng)述橋梁荷載試驗(yàn)的步驟及要點(diǎn)［J］.公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2013（7）：30-32.

［3］丁瑞，趙劍.某連續(xù)剛構(gòu)橋的荷載試驗(yàn)研究［J］.黑龍江交通科技，2013（6）：90-91.

［4］林曉松.某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋荷載試驗(yàn)分析［J］.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，30（6）：72-76.

［5］蔣玉川，傅昶彬，閻慧群，等.MIDAS在結(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［6］交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.JTG/TJ21-2011公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［7］任偉新.環(huán)境振動(dòng)系統(tǒng)識(shí)別方法的比較分析［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，29（6）：80-86.

［8］周?？。瑓怯啦?，譚也平，等.橋梁荷載試驗(yàn)研究綜述［J］.中外公路，2008，28（4）：164-166.

［9］中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTGD60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

【責(zé)任編輯：周紹纓410154121@qq.com】

Analysis of working capability for open-spandrel double-curved arch bridge based on load test

HUANGZhi-bin

（Fujian-jiangxi Section ofBeijing-Fuzhou P assenger Dedicated RailwayLine Co.Ltd，F(xiàn)uzhou 350013，China）

In this paper，the theoretical model of the open-spandrel double-curved arch bridge was constructed and analyzed by using MIDAS soft ware.Then static load test，dynamic load test were completed，and the test data were compared to theoretical value to evaluate the working capability of the bridge.It is indicated that the bridge meet the design requirements，and the testing method suggested in this paper can provide reference data ofevaluateion ofworkingcapabilityfor the same style bridges.

open-spandrel double-curved arch bridge；load test；workingcapability

U448.221

A

1008-0171（2016）04-0054-05

2016-03-28

黃志斌（1984-），男，福建仙游人，京福閩贛鐵路客運(yùn)專線有限公司工程師。