基于荷載試驗的某空腹式雙曲拱橋承載能力分析

■黃雪欽

(福建福大建設(shè)工程有限公司，福州 350004)

基于荷載試驗的某空腹式雙曲拱橋承載能力分析

■黃雪欽

(福建福大建設(shè)工程有限公司，福州 350004)

本文針對某空腹式雙曲拱橋主拱圈和橫向聯(lián)系裂縫等眾多病害，采用大型有限元分析軟件，建立雙曲拱橋的空間有限元模型進(jìn)行靜力和動力分析，通過對比分析實(shí)測值與理論計算值來評價該橋的受力性能和承載能力狀況，為將來的舊橋加固與修復(fù)提供依據(jù)。

空腹式 雙曲拱橋 荷載試驗 承載能力

1 概述

雙曲拱橋是將主拱圈以“化整為零”的方法按先后順序進(jìn)行施工，再以“集零為整”的方式組合成承重的整體結(jié)構(gòu)，它充分發(fā)揮了預(yù)制裝配的優(yōu)點(diǎn)，可以不需拱架施工，節(jié)省木料，加快施工進(jìn)度，而所耗用的工料又不多，因此在我國公路橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。但因主拱圈分期形成，其呈現(xiàn)出組合結(jié)構(gòu)的受力特征，故整體性較弱，再加上超載等其他原因，目前大多數(shù)雙曲拱橋均出現(xiàn)了不同程度的損傷。因此，對受損雙曲拱橋的承載能力進(jìn)行評估，對確保橋梁的安全運(yùn)行具有重要意義。本文的研究對象某多跨連續(xù)空腹式雙曲拱橋 (圖1)，全長288.37m，設(shè)計橋型為7孔等跨連續(xù)雙曲拱，單孔凈跨徑為35m，凈矢高為7m，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5m(行車道)+2×1.0m(人行道)，主拱圈厚度為1.00m，采用250號混凝土。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，直徑為2.5m，腹拱圈厚度為0.3m。橋臺為漿砌塊石U型臺。原設(shè)計荷載：汽-13級、拖-60。洪水設(shè)計或然率為100年一遇。為了解橋跨主體結(jié)構(gòu)在荷載作用下的實(shí)際受力狀態(tài)，評價結(jié)構(gòu)承載能力，對該橋進(jìn)行了試驗檢測。

2 外觀病害情況

利用橋檢車對該橋現(xiàn)有橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)等部位進(jìn)行外觀檢查，并對墩臺水下部分進(jìn)行了水下探摸。具體情況如下：

(1）橋面系：全橋欄桿有3處破損，最大面積為0.12m×0.10m，1處欄桿斷裂，欄桿接頭大部分松動，砼老化；人行道板出現(xiàn)6處破損，最大面積為0.30m×0.50m。

(2）上部結(jié)構(gòu)：橋面板有5處破損，最大面積5.00m×2.50m，并出現(xiàn) 14條縱向裂縫，縫寬 1.00～2.00mm，縫長2.00～6.00m。主拱圈微彎板共出現(xiàn)21條縱向裂縫，縫寬0.10～0.20mm，縫長 0.50～2.00m；全橋橫系梁錨頭螺栓均有不同程度生銹；橫系梁共有11處掉塊露筋，最大面積0.10m×0.50m。拱肋底面共出現(xiàn)5條橫向裂縫，縫寬0.08～0.10mm，縫長0.20～0.30m；拱肋共出現(xiàn)277條豎向裂縫，縫寬 0.08～0.20mm，縫長 0.10～0.75m，其中有 159條豎向裂縫位于側(cè)面，有87條豎向裂縫由側(cè)面延伸至底面0.05～0.25m，有31條豎向裂縫由側(cè)面貫通至底部。拱肋底面出現(xiàn)1處掉塊露筋，面積0.10m×0.35m。

(3）上部結(jié)構(gòu)：1～6號墩基礎(chǔ)四周河床有不同程度沖刷，沖刷深度0.90～4.00m；1～6號墩水面下的墩身及基礎(chǔ)4個側(cè)面表體均長有一層青苔，厚度約0.5cm。

3 荷載試驗結(jié)果及分析

3.1 靜載試驗

3.1.1 靜載試驗工況及檢驗對象

圖1 某空腹式雙曲拱橋總體布置圖(單位：m)

根據(jù)該橋施工設(shè)計圖紙和外觀檢查結(jié)果，應(yīng)用MIDAS計算軟件進(jìn)行建模計算。拱橋建模主要關(guān)注的是拱上建筑的聯(lián)合作用、拱上填料剛度、邊腹拱支撐方式、腹拱剛度及結(jié)構(gòu)受損 (主要是拱上建筑受損和主拱圈受損)對主拱圈受力的影響。建模過程進(jìn)行了如下處理和假設(shè)：

(1）拱圈線形以及材質(zhì)狀態(tài)采用現(xiàn)場實(shí)測值，提高了模擬的準(zhǔn)確性；

(2）根據(jù)該拱橋的受力特點(diǎn)，將拱肋與拱波形成的組合截面作為主拱圈的截面，相鄰拱肋間采用鉸接處理；

(3）針對各構(gòu)件裂縫、掉塊露筋等損傷病害，根據(jù)材料風(fēng)化、碳化及物理化學(xué)損傷，對各構(gòu)件采用截面尺寸折減，折減系數(shù)取0.95；

(4）將拱上建筑與拱上填料作為集中或分布荷載作用在主拱圈上。拱上填料按實(shí)際材料強(qiáng)度，兩端按照鉸接處理，不傳遞彎矩。按橋梁設(shè)計規(guī)范對拱橋施加活荷載，對橋梁進(jìn)行力學(xué)性能計算。

橋梁模型見圖2。以設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活載產(chǎn)生的該試驗項目的最不利效應(yīng)值等效換算，確定所需的試驗荷載。然后根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，確定各跨試驗工況，具體見表1，各跨主要測試截面見圖3。該橋的靜載試驗荷載效率η滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)(后簡稱《規(guī)程》)的規(guī)定要求。

3.1.2 測點(diǎn)布置

(1）應(yīng)變測點(diǎn)布置：在各控制截面拱肋底面粘貼混凝土應(yīng)變片進(jìn)行測量，各控制截面應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖4。

(2）撓度測點(diǎn)布置：在各控制截面拱肋對應(yīng)的橋面位置架設(shè)塔尺進(jìn)行測量，各控制截面撓度測點(diǎn)布置見圖5。

(3）水平位移觀測：在7#臺起拱線處上下游分別安裝順橋向的位移計，觀測橋臺的順橋向水平位移。

(4）裂縫觀測：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)行測量。

圖2 某空腹式雙曲拱橋模型圖

圖3 試驗測試截面示意圖(單位：m)

表1 試驗測試內(nèi)容

圖4 各控制截面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

圖5 各控制截面撓度測點(diǎn)布置圖

3.1.3 靜載試驗結(jié)果及分析

在試驗加載工況作用下，各控制截面的實(shí)測撓度及其與理論計算值的比較如表2所示，實(shí)測應(yīng)變及其與理論計算值的比較如表3所示。

經(jīng)過橋梁靜載試驗，該橋第2跨拱頂截面撓度校驗系數(shù)為0.53～0.54，應(yīng)變校驗系數(shù)為0.44～0.62；第2跨L/4和3L/4截面撓度絕對值之和校驗系數(shù)為0.69～0.78，L/4截面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.59～0.72；第7跨拱頂截面撓度校驗系數(shù)為 0.50～0.52，應(yīng)變校驗系數(shù)為 0.48～0.78；第 7跨拱腳截面拱肋底面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.42～0.54；各截面撓度校驗系數(shù)均處于《規(guī)程》規(guī)定的常值范圍(0.50～1.00)，應(yīng)變校驗系數(shù)均低于或處于《規(guī)程》規(guī)定的常值范圍(0.50～0.90)；各截面相對殘余撓度和相對殘余應(yīng)變均小于 《規(guī)程》規(guī)定值20%。

在工況5、6作用下，第7跨7#臺沒有發(fā)生水平位移。

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

表2 各控制截面撓度分析表

表3各控制截面應(yīng)變分析表(每個工況僅列出最大η值的拱肋)

3.2 動載試驗

3.2.1 自振特性試驗工況

在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動等隨機(jī)荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微小振動響應(yīng)，測試橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率和阻尼比，以分析橋跨結(jié)構(gòu)自振特性。

3.2.2 自振特性結(jié)果及分析

在各跨八分點(diǎn)位置橋面上放置脈動測點(diǎn)傳感器，實(shí)測的信號經(jīng)FFT分析、模態(tài)分析，得到該雙曲拱橋的豎向1階自振頻率及振型。自振特性試驗表明，該橋?qū)崪y豎向1階自振頻率為2.357Hz，大于理論計算值2.092Hz，實(shí)測振型與理論計算振型基本吻合。實(shí)測與計算豎向1階自振頻率及振型對比圖見圖6。

圖6 實(shí)測與計算豎向1階自振頻率及振型圖對比

3.2.3 無障礙行車試驗工況

采用1輛載重汽車(單車總重約40t)分別以10km/h、20km/h和30km/h不同的車速通過橋跨結(jié)構(gòu)，測試第7跨跨中截面的沖擊系數(shù)。

3.2.4 無障礙行車試驗結(jié)果及分析

在不同車速(以 10km/h、20km/h和 30km/h)情況下，測得第7跨跨中截面跑車試驗撓度時程曲線如圖7所示。

圖7 不同車速情況下跑車試驗撓度時程曲線

由橋梁行車試驗可知，在單車(重約40t)不同行車速度10km/h、20km/h和30km/h作用下，實(shí)測的跑車沖擊系數(shù)分別為1.02、1.02和1.07，按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)中沖擊系數(shù)μ的計算公式計算：當(dāng)1.5Hz≤f≤14 Hz 時， 則 1+μ=1+(0.1716lnf-0.0157)=1.13(這里f取橋面豎向一階實(shí)測頻率)，可知實(shí)測沖擊系數(shù)小于規(guī)范值。

4 結(jié)論

通過對該雙曲拱橋的靜動載試驗結(jié)果和各項理論值進(jìn)行比較和分析，得到荷載試驗結(jié)論如下：

(1）橋梁靜載試驗表明：該橋第2跨拱頂截面撓度校驗系數(shù)為 0.53～0.54，應(yīng)變校驗系數(shù)為 0.44～0.62；第 2跨L/4和3L/4截面撓度絕對值之和校驗系數(shù)為0.69～0.78，L/4截面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.59～0.72；第7跨拱頂截面撓度校驗系數(shù)為0.50～0.52，應(yīng)變校驗系數(shù)為0.48～0.78；第7跨拱腳截面拱肋底面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.42～0.54；各截面撓度校驗系數(shù)均處于 《規(guī)程》規(guī)定的常值范圍 (0.50～1.00)，應(yīng)變校驗系數(shù)均低于或處于《規(guī)程》規(guī)定的常值范圍(0.50～0.90)；各截面相對殘余撓度和相對殘余應(yīng)變均小于《公路舊橋承載能力鑒定方法》規(guī)定值20%。

在工況5、6作用下，第7跨7#臺沒有發(fā)生水平位移。

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

(2）橋梁動載試驗表明：該橋?qū)崪y豎向1階自振頻率為2.357Hz，大于理論計算值2.092Hz，實(shí)測振型與理論計算振型基本吻合；在單車(重約40t)不同行車速度10km/h、20km/h和30km/h作用下，實(shí)測的跑車沖擊系數(shù)分別為1.02、1.02和1.07，小于理論計算值1.13，滿足規(guī)范要求。

(3）綜上所述，該空腹式雙曲拱橋結(jié)構(gòu)工作性能狀況良好，承載能力能夠滿足汽-15、掛-80荷載等級要求。

[1]王敏強(qiáng)，王樂，張桓.空腹式雙曲拱橋有限元分析與試驗研究.武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)報，2005，38(5)：88-93.

[2]戎澤生，邵永健.現(xiàn)役雙曲拱橋上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析與試驗研究.福建建筑，2009(4).

[3]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[4]JTG/T J21-01-2015，公路橋梁荷載試驗規(guī)程[S].

[5]JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].