某上承式鋼筋混凝土拱橋靜載試驗分析

王 鵬，董加柱

(機械工業第六設計研究院有限公司)

某上承式鋼筋混凝土拱橋靜載試驗分析

王 鵬，董加柱

(機械工業第六設計研究院有限公司)

介紹了某大跨徑上承式鋼筋混凝土拱橋有限元分析軟件Midas/Civil模型，分析了成橋靜載試驗實際試驗值與理論計算值，探討了兩者不同的原因，總結出拱橋剛度和強度滿足設計要求的結論。試驗結果可為該橋的正常運營和養護、管理提供科學的依據，并可為同類型橋梁的設計和實驗研究提供參考。

上承式;鋼筋混凝土;拱橋;靜載試驗

拱橋是我國中小跨徑橋梁的主要橋型，面廣而量大，一直以來，隨著高速公路的建設，拱橋的計算和施工方法已經比較成熟，然而，在使用過程中仍存在相當數量的橋梁由于老化的結構材料，結構構件的損傷等諸多因素導致結構承載力減弱的現象。日益增多的重荷載車輛，不斷上長的交通流量是導致現有拱橋產生各類病害的主要原因之一。據了解，拱橋在國內橋梁總數中占60%左右的比重，僅國內西部就占到81%。所以，現有拱橋的承載能力評定便成為極其重要的工作，而靜載試驗法便是目前國內外認可度較高的評價拱橋承載能力的主要途徑之一。

1 工程概況

該橋長為210 m，橋梁橫斷面為12.6 m。主橋為等截面懸鏈線上承式鋼筋混凝土無鉸拱橋，計算跨徑120 m，計算矢高24 m，矢跨比為1/5，拱軸系數m=2.0。主拱圈采用等截面單箱三室截面，截面高度2.2 m，寬度8.6 m。拱上建筑采用梁柱式結構。拱頂附近采用12×5 m鋼筋混凝土連續板。兩拱腳附近采用跨徑為(11+11+11)m的預應力混凝土連續空心板。設計荷載為公路－Ⅰ級，人群荷載3.5 kPa，電力電纜3 kN/m;支路，設計車速20 km/h。

2 試驗內容及方法

2.1 建立仿真模型

上承式拱橋有著自身的受力特點，為了滿足拱橋結構的特點兼顧設計荷載的要求，在試驗前要對橋梁的設計荷載效應進行模擬，試驗后對實際試驗荷載效應進行分析。本次試驗采用Midas/Civil對上述兩種情況進行模擬分析。

2.2 試驗荷載i

實際試驗荷載由載重試驗車輛及試驗車隊模擬，并且符合荷載等效原則，要求各個試驗車輛產生的荷載均約為400 kN。為了滿足試驗車輛總重浮動在5%以內，軸重偏差浮動在10%以內的要求，現場所需加載的試驗車輛應在試驗前逐一編號、稱重，軸距及軸重應詳細記載。

2.3 試驗要求及工況組成

靜載試驗主要測試在試驗荷載(設計荷載)作用下結構的工作性能，包括整體工作性能、變形、應變等情況，并對可能或已經出現的裂縫進行觀測。根據橋梁結構形式，計算確定在設計荷載作用下控制截面的最不利內力。根據《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》的要求，橋梁的靜力試驗按荷載效率η來確定試驗的最大荷載。靜力荷載效率η的計算公式為:

式中:μ為靜力荷載試驗效率系數;Ss為靜載試驗荷載作用下檢驗項目的計算效應值;S為設計控制荷載作用下檢驗項目的最不利效應值;對于車輛荷載應計入沖擊系數。

靜載試驗依據公路橋梁荷載試驗規程的要求進行:大跨徑拱橋需要對拱圈拱頂位置、拱腳位置、拱圈四分之一跨處位置、拱上建筑支點和跨中位置的應力及變形進行控制。依據汽車設計荷載在各控制位置產生的荷載效應，在相應位置的荷載效應影響線上實施試驗加載并進行計算，令設計汽車荷載產生的效應與試驗車荷載產生的效應之比滿足規范靜力試驗荷載效應系數的要求。

各控制截面位置見圖1，其中A－E是主拱圈控制截面，F、G為拱上建筑控制截面。應變測量采用埋入式振弦應變計，主拱圈斷面傳感器布置見圖2。靜載試驗各個工況見表1。各個工況加載效率系數見表2。

圖1 控制截面位置圖

表1 靜荷載試驗工況和試驗目的

2.3 靜載試驗結果分析

(1)拱頂測點撓度實測結果

在試驗工況一、二、五的靜試驗荷載作用下，對拱頂的撓度進行現場觀測記錄。拱頂測點的撓度計算結果值和實測結果值的對比見表3。

表2 各工況加載效率系數

表3 試驗工況下拱頂測點撓度的實測結果值和計算結果值對比表(撓度正值表示向下)

對表3數據進行分析，校驗系數基本能夠滿足規范要求，各工況撓度計算結果值均大于實測結果值，由此證明該拱橋結構的實際剛度大于設計剛度，能滿足設計荷載的要求，處于正常工作狀態。

(2)應力測試結果

分別對主拱圈截面上、下表面的4個測點的應力實測值進行平均得到平均值，與計算值進行對比，見表4。

表4對應力實測結果平均值與模擬計算結果值進行比較，多數差別較小，由此推斷橋梁的內力狀態處在正常的工作范圍，結構整體剛度較好，結構受力合理.但是也有相當一部分測試結果略大于計算結果，通過反復仿真模擬及綜合考慮現場不確定因素，歸結為以下幾個可能影響的因素: (1)傳感器的埋置位置偏離;(2)有限元分析對溫度應力的考慮比較保守，與現場測試時的溫度有差異;(3)影響試驗結果因素多且無法準確把握，收縮、徐變對橋梁的受力影響只能采用橋梁有限元分析軟件Midas/Civil進行仿真模擬.。

表4 主拱圈頂、底板應力實測結果和模擬結果

3 結論

本次試驗按照規范要求進行，試驗效率系數取值滿足規范要求，主拱圈的剛度與強度都符合設計要求.結構處于良好的工作性能狀態;結構構件在試驗過程中未觀察到明顯的沉降，并且沒有產生新的裂縫，正常使用狀態滿足設計要求.此次試驗的結果將為該橋的正常運營和養護、管理提供科學的依據，并可為同類型橋梁的設計和實驗研究提供參考。

［1］ 王文忠.簡支轉連續梁橋成橋動靜載試驗研究［J］.長春工程學院學報:自然科學版，2012(2):9－11，16.

［2］ 邵雨虹，王斌華，呂彭民.獐河溝拱橋有限元分析與試驗研究［J］.公路，2012，(3):57－61.

［3］ 王伯俞.多孔寬拱橋的有限元計算和成橋試驗［D］.長沙理工大學，2013.

［4］ 王濤.鋼管混凝土拱橋靜動載試驗研究［D］.長安大學，2009.

［5］ 王鵬.上承式拱橋混凝土箱形截面主拱圈溫度效應研究［D］.吉林大學，2013.

U446

C

1008－3383(2015)10－0104－02

2015－03－25

王鵬(1987－)，男，河南溫縣人，助理工程師，主要從事結構設計理論研究。