在役鋼筋混凝土肋拱橋荷載試驗(yàn)研究

李 恒 蘇 鵬 魏景和 陽 浩

(廣東縱橫工程檢測有限公司，廣東 佛山 528000)

1 概述

鋼筋混凝土拱橋具有造型美觀、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁工程特別是公路橋梁工程中得到較為廣泛的應(yīng)用[1]。自20世紀(jì)70年代以來我國修建了大量的鋼筋混凝土肋拱橋，然而該橋型存在肋拱間橫向聯(lián)系偏弱、剛度偏小等缺陷，導(dǎo)致肋拱橋整體受力性能較差，其正常使用性能和超載能力較一般拱橋差。另一方面，現(xiàn)役鋼筋混凝土拱橋普遍由于修筑時(shí)間較早，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等級偏低，加之現(xiàn)有交通量迅速增加，車輛超載等問題[2]，隨著使用年限的增長逐漸出現(xiàn)不同程度的損傷病害，橋梁承載能力和耐久性能難以適應(yīng)現(xiàn)有交通環(huán)境，嚴(yán)重制約了我國公路等級改造提升。因此掌握鋼筋混凝土肋拱橋目前的承載能力狀況并對其進(jìn)行合理評估，對現(xiàn)有橋梁的安全運(yùn)營及管理養(yǎng)護(hù)具有重要工程意義[3]。

2 工程概況

七星工業(yè)園閘邊橋修建于20世紀(jì)90年代，位于佛山市南海區(qū)。橋梁全長22.4 m，跨徑組合為1×21.70 m，上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土無鉸拱橋，橫橋向由8片拱肋構(gòu)成，橋梁矢跨比約為1/7，橋?qū)?5.2 m，肋間中心距1.9 m，拱肋截面為0.25 m×0.4 m。荷載設(shè)計(jì)等級為汽車—15級，掛—80。橋梁實(shí)景見圖1，圖2。

3 靜載試驗(yàn)

橋梁可以靜載試驗(yàn)主要測試試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)的控制截面在最不利荷載作用下的應(yīng)變、位移和裂縫，通過實(shí)測值與有限元軟件分析的理論值進(jìn)行對比，分析判斷橋梁受力狀態(tài)。

通過有限元軟件計(jì)算得出橋梁設(shè)計(jì)彎矩和試驗(yàn)彎矩，分析模型見圖3。考慮到現(xiàn)場組織標(biāo)準(zhǔn)車隊(duì)困難，采用彎矩等效原則，采用2臺總重27.6 t的三軸汽車加載，每個(gè)工況分四級加載，控制截面如圖4所示。根據(jù)測試橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖，并考慮應(yīng)力分布，按照最不利受力原則選定測試截面，然后擬定相應(yīng)的試驗(yàn)工況，本次工況Ⅰ～Ⅱ測試截面設(shè)計(jì)、試驗(yàn)彎矩和試驗(yàn)荷載效率如表1所示，表中的數(shù)據(jù)表明試驗(yàn)荷載效率ηq取值范圍為0.95～1.05，滿足檢測規(guī)范[4]要求。工況Ⅰ在拱頂截面橫橋向沿拱肋底面布置8個(gè)撓度測點(diǎn)，每片拱肋底面各布置1個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，工況Ⅱ在拱腳截面位置，拱肋頂面分別各布置1個(gè)測點(diǎn)。

表1 試驗(yàn)彎矩和試驗(yàn)荷載效率

3.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果

本次靜載試驗(yàn)在最大級荷載作用下各截面實(shí)測位移(應(yīng)變)彈性值與理論值比較圖如圖5～圖8所示，撓度與應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)和殘余變形評定匯總表如表2，表3所示。

表2 撓度與應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)匯總表

表3 殘余變形評定匯總表

3.2 靜載試驗(yàn)分析

1)由圖5～圖8可知，最不利荷載作用下各肋板實(shí)測位移(應(yīng)變)彈性值與理論計(jì)算值變化趨勢基本一致，由表2和表3可知實(shí)測彈性位移(應(yīng)變)值小于理論計(jì)算值且校驗(yàn)系數(shù)小于1，殘余變形相對值小于0.02，說明橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足規(guī)范[4]和設(shè)計(jì)荷載汽車—15級的正常使用要求。2)實(shí)測撓跨比為2.6×10-3/21.7=1.20×10-4，小于設(shè)計(jì)規(guī)范[5]允許的1/600=1.67×10-3，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。3)由圖8可知，在偏載作用下，7根肋的實(shí)測橫向分布系數(shù)總體變化趨勢和理論計(jì)算值基本一致，實(shí)測橫向分布系數(shù)小于理論計(jì)算值說明橫系梁連接性能大于理論值。

4 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)主要用于綜合了解結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性以及結(jié)構(gòu)抵抗受迫振動(dòng)和突發(fā)荷載作用的能力，以判斷結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，同時(shí)也為使用階段結(jié)構(gòu)評估積累原始數(shù)據(jù)[4]。

4.1 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

本次動(dòng)載試驗(yàn)主要提取了橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境荷載和行車試驗(yàn)荷載下各參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具體結(jié)果見表4，表5。

表4 自振特性測試結(jié)果

表5 跑車作用下的實(shí)測數(shù)據(jù)

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)分析

1)由表4可知，試驗(yàn)橋跨實(shí)測自振頻率均大于理論計(jì)算值，說明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論值；2)由表5可知，沖擊系數(shù)小于理論沖擊系數(shù)0.176 7ln15.62-0.015 7=0.47，隨著跑車速度的提高，試驗(yàn)橋跨受迫振動(dòng)速度和沖擊系數(shù)有明顯的提升；阻尼比和加速度與跑車速度沒有明顯的相關(guān)性。

5 結(jié)論

通過本次靜動(dòng)載試驗(yàn)、理論計(jì)算和計(jì)算評估可以得出以下結(jié)論：1)在最大級荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，橋梁剛度和強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求。2)結(jié)構(gòu)整體剛度大于理論值，沖擊系數(shù)小于理論值，橋跨結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能良好。3)肋拱橋橫向分布特征值直接影響拱肋受力狀態(tài)，對橋梁整體受力至關(guān)重要，在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)該加強(qiáng)橫向連接，保持橋梁整體性能。