石拱橋結構靜載試驗研究

黃步良

（長治公路分局，山西 長治 046000）

我國公路橋梁總數已達50萬座，據交通部統計資料顯示，近幾年來，我國技術狀況等級處于四、五類的公路橋梁總數一直在1.2萬座以上，由于設計荷載標準低、自然環境侵蝕、交通量快速增長、維護不利等因素的影響，日益成為交通安全的隱患。

1 工程概況

新安橋位于省道河潞線K28+710處，跨越濁漳河，原橋修建于1974年，為1～60m懸鏈線空腹式石拱橋，凈矢高10m，矢跨比為1/6，拱圈寬度為6.5m，拱圈厚1.15m，拱軸系數m=2.814，橋臺為U型橋臺。于2009年，省道河潞線進行改造，改橋要進行加寬改造，需要對原橋的承載能力進行檢測。

2 靜載實驗

（1）通過測定橋跨結構在試驗荷載作用下的控制截面應力和撓度，并與理論計算比較，檢驗實際結構控制截面應力與撓度值是否處于彈性工作狀態。

（2）通過現場加載試驗、對試驗現象和實驗數據的中和分析，對大橋結構的既有承載能力和受力狀態做出總體評價。

3 試驗依據

本次靜力荷載試驗主要依據以下技術文件：

《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2004）；

《公路圬工橋涵設計規范》（JTG D61—2005）；

《公路橋涵養護規范》（JTG H11—2004）；

《大跨徑混凝土橋梁的實驗方法》（“鐵組”YC4—4/1978科研專題）；

《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（報批稿）。

4 試驗簡述

橋梁荷載試驗，主要是通過測量橋梁結構在實驗荷載作用下的變形和內力，用以確定橋梁結構的實際工作狀態與設計期望值是否相符。他是檢驗橋梁結構實際工作性能，如結構的強度、剛度等的最直接和最有效地手段和方法。

本次靜力實驗荷載擬采用兩輛重約390 kN的載重汽車進行，就某一加載試驗項目而言，其所需加載車輛的數量，將根據設計標準活載產生的該加載實驗項目對應的控制界面內力或變為等最不利效應值，按下式所確定的原則等效換算而得：

式中：η：靜力試驗荷載效率；

Sstate：試驗荷載作用下，某一家在試驗項目對應的控制界面內力或變為等的最大計算效應值；

S：設計標準活載不計沖擊荷載作用時產生的該加載試驗項目對應的控制界面內力或變為等的最不利計算效應值；

1+μ：設計計算取用的沖擊系數，本次考慮為1。

5 靜載實驗測試項目

本次荷載試驗主要包括以下荷載試驗項目：

（1）檢驗拱腳最不利負彎矩效應。

（2）檢驗拱圈1/4 L位置最不利正彎矩效應及豎向撓度效應。

（3）檢驗拱圈1/4 L位置最不利負彎矩效應及豎向撓度效應。

（4）檢驗拱頂控制截面的最不利正彎矩效應及豎向撓度效應。

（5）檢驗橋墩最大水平推力效應及水平位移效應。

（6）檢測拱圈1/4 L位置正負最大豎向撓度絕對值之和。

6 測試斷面及測點布置

（1）應變測試斷面。本次荷載試驗應變測試布置為雙側拱腳、拱頂及4分點位置。

（2）撓度測試斷面。撓度測試測點以反映關鍵斷面撓度值和能夠描述整跨變形情況原則下布設。本次荷載試驗撓度測試布置為兩側拱腳（水平位移測試）、拱肋4分點位置（豎向撓度測試）

7 試驗荷載

本次驗算采用橋梁博士3.0建模計算，共建立單元160個，其中主拱圈為共計68個單元，模型見圖1。

圖1 拱橋計算模型

選用2輛重約400 kN的車輛進行加載試驗，根據加載工況的不同調整加載車的加載位置。

8 試驗工況

工況1：檢驗拱圈拱腳位置最大負彎矩效應；工況2：檢驗拱圈1/4 L位置最大正彎矩效應；工況3：檢驗拱圈1/4 L位置最大負彎矩效應；工況4：檢驗拱圈拱頂位置最大正彎矩效應；工況5：檢驗橋墩最大水平推力效應及水平位移效應；工況6：檢測拱圈1/4 L位置正負最大豎向撓度絕對值之和。

9 試驗加載效率

見表1。

表1 靜力加載試驗計算值及荷載效率表

10 測試結果

表2～9分別表示出各加載工況下的主要測試斷面的實測應力及撓度（應力值表中正值表示受拉，負值表示受壓；撓度值表中負值表示向下，正值表示向上），并分別與計算值進行了比較。

表2 拱腳最大負彎矩加載工況拱腳斷面應力測點檢測結果 /MPa

表3 1/4L最大正彎矩加載工況相應斷面應力測點檢測結果 /MPa

表4 1/4L最大負彎矩加載工況相應斷面應力測點檢測結果 /MPa

表5 1/2L最大正彎矩加載工況相應斷面應力測點檢測結果 /MPa

各試驗荷載工況滿載時實測各控制截面的最大應變與相應截面在試驗荷載作用下的理論計算值進行比較，其比值即為結構應變校驗系數。在以上各加載工況下，各測點應比校驗系數均較小，最大校驗系數0.38，滿足“鑒定方法”中不大于1的要求，說明在試驗荷載作用下，拱圈強度能夠達到試驗荷載要求，橋梁的受力狀況良好，且該橋結構有較高的安全儲備。

表6 1/4L最大正彎矩加載工況相應斷面撓度測點檢測結果 /mm

表7 1/4L最大負彎矩加載工況相應斷面撓度測點檢測結果 /mm

表8 1/2L最大正彎矩加載工況相應斷面撓度測點檢測結果 /mm

表9 1/4L位置正負撓度絕對值之和加載工況相應斷面撓度測點檢測結果/mm

11 結論及建議

各試驗荷載工況滿載時實測控制截面的最大變形與相應截面在試驗荷載作用下的理論計算值進行比較，其比值即為結構變形校驗系數。在以上各加載工況下，各測點變形校驗系數均較小，最大校驗系數0.67，測試工況對應最不利截面最大效驗系數僅0.24，滿足“鑒定方法”中不大于1的要求，說明在試驗荷載作用下，主拱圈剛度滿足設計要求，橋梁的受力狀況良好，且該橋結構有較高的安全儲備。由于現有橋梁橋面破損，拱圈滲水，建議對拱腔填料重新處理，以防凍脹對主拱圈的破壞。