鋼筋混凝土剛架拱橋荷載試驗(yàn)研究

■　曾志超（泰寧縣交通運(yùn)輸局，泰寧　354400）

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鋼筋混凝土剛架拱橋荷載試驗(yàn)研究

■曾志超
（泰寧縣交通運(yùn)輸局，泰寧354400）

摘要鋼筋混凝土剛架拱橋是一種適用于地質(zhì)條件較好的山區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)形式。為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)，需要對(duì)剛架拱橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)。松光大橋主跨60m，在橋梁通車前進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，對(duì)靜力荷載工況下的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變、撓度，和動(dòng)力荷載工況下的自振模態(tài)、沖擊系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，并結(jié)合有限元模型的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。荷載試驗(yàn)結(jié)果表明：松光大橋整體工作性能處于彈性狀態(tài)，承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的使用要求。

關(guān)鍵詞橋梁工程鋼筋混凝土剛架拱橋荷載試驗(yàn)

0　引言

福建省泰寧縣是全國(guó)著名風(fēng)景名勝，以旅游業(yè)為主。由于道路交通量不大，且地處山區(qū)，地質(zhì)條件較好，因此造型優(yōu)美、取材方便的拱橋在泰寧縣得到了普遍運(yùn)用。作為混凝土拱橋中應(yīng)用較為廣泛的一種，鋼筋混凝土剛架拱橋的主要承重結(jié)構(gòu)由剛架拱片、橫梁、微彎板等組成，是一種有推力拱，因此適用于地質(zhì)條件較好的山區(qū)。其優(yōu)點(diǎn)在于自重較輕、取材方便、整體性好、剛度較大等。

但是，在荷載作用下，剛架拱橋容易出現(xiàn)諸如拱片、微彎板和橋面板開裂等病害。因此，為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)，為橋梁的管理養(yǎng)護(hù)工作提供原始參數(shù)，需要針對(duì)剛架拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際車輛荷載等級(jí)，采取科學(xué)、合理的方法開展荷載試驗(yàn)。

1　工程概況

泰寧縣松光大橋（如圖1）位于福建省泰寧縣，橋梁主跨60m，全長(zhǎng)81.60m，是一座鋼筋混凝土剛架拱橋。橫橋向由4片拱片組成，中距3.20m。支座采用鋼板支座。全橋兩橋臺(tái)上設(shè)置2道伸縮縫。橋面橫坡通過橋面鋪裝調(diào)整，支座水平設(shè)置。下部構(gòu)造橋臺(tái)采用重力式U型臺(tái)。建設(shè)完成后大橋照片如圖2所示。

圖1　松光大橋總體布置圖（單位：cm）

圖2　泰寧松光大橋照片

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)理論和施工質(zhì)量的可靠性，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足設(shè)計(jì)與規(guī)范要求，掌握大橋橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件在車輛動(dòng)靜荷載作用下的靜動(dòng)力反應(yīng)的技術(shù)資料，本文針對(duì)泰寧松光大橋進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)研究，并將試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行了比較。荷載試驗(yàn)依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）執(zhí)行。

2　有限元模型

采用MIDAS/CIVIL空間有限元軟件，建立了松光大橋荷載試驗(yàn)的有限元分析模型。剛架拱片、橫系梁和行車道系采用三維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。其有限元模型見圖3。

圖3　松光大橋有限元模型

3　靜載試驗(yàn)

3.1靜載試驗(yàn)工況

根據(jù)松光大橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，選擇全橋計(jì)算的內(nèi)力包絡(luò)圖，對(duì)拱頂最大正彎矩、松光花園側(cè)拱腿最大軸力、松光花園側(cè)大節(jié)點(diǎn)最大正彎矩、松光花園側(cè)拱腿拱腳處最大負(fù)彎矩、松光花園側(cè)斜撐最大軸力進(jìn)行測(cè)試，共分4個(gè)加載工況，按照最不利加載原則，均采取偏心加載方式進(jìn)行。加載工況和試驗(yàn)效率見表1。

表1　靜載試驗(yàn)加載工況及試驗(yàn)效率

3.2靜載測(cè)點(diǎn)布置

各撓度及應(yīng)變測(cè)試截面見圖4和圖5。

圖4　撓度測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

圖5　應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

加載工況下，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)見表2，各測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)見表3。從靜載試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

（1）荷載作用下控制截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.95，滿足《規(guī)程》不大于1.00的要求。

（2）卸載后的相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為10.00％之間，滿足《規(guī)程》中小于20％的規(guī)定。

（3）荷載作用下控制截面撓度校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.85，滿足《規(guī)程》不大于1.00的要求。

（4）卸載后的相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為9.88％之間，滿足《規(guī)程》中小于20％的規(guī)定。

表2　各加載工況的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)和殘余應(yīng)變

表3　各加載工況的撓度校驗(yàn)系數(shù)和殘余變形

4　動(dòng)載試驗(yàn)

4.1動(dòng)載試驗(yàn)工況

利用環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)松光大橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，利用強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)（包括跑車、剎車和跳車試驗(yàn)）對(duì)松光大橋在移動(dòng)車輛荷載作用下的振動(dòng)和沖擊反應(yīng)進(jìn)行分析。動(dòng)載試驗(yàn)工況及內(nèi)容見表4。

表4　動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試工況

4.2動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖6～圖10所示。

圖6　環(huán)境振動(dòng)測(cè)點(diǎn)平面布置圖（單位：cm）

圖7　無(wú)障礙行車加速度測(cè)點(diǎn)平面布置圖（單位：cm）

圖8　無(wú)障礙行車動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)縱向布置圖（單位：cm）

圖9　1-1截面動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)橫向布置圖（單位：cm）

圖10　2-2截面動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)橫向布置圖（單位：cm）

4.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

松光大橋主橋的面內(nèi)外理論模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)列于表5。從表5可以看出，可以看出，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)的前四階自振頻率中，除第2階豎向反對(duì)稱頻率略小于理論值外，其他實(shí)測(cè)值均大于理論計(jì)算值，說(shuō)明該橋總體剛度較理論為大，結(jié)構(gòu)傳遞振動(dòng)能力及均質(zhì)性較好。

松光大橋拱頂截面在跑車荷載作用下的實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線如圖11～圖14所示。將實(shí)測(cè)應(yīng)變時(shí)程曲線進(jìn)行時(shí)域分析后得不同車速下的沖擊系數(shù)，并與設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)進(jìn)行比較，如表6所示。對(duì)于松光大橋，實(shí)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的沖擊系數(shù)為0.022～0.189。該橋理論結(jié)構(gòu)基頻為3.88Hz，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60-2004中第4.3.2條的規(guī)定，設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)μ應(yīng)取0.224。因此，該橋標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)比設(shè)計(jì)值小。

表5　松光大橋的基本模態(tài)

圖11　5km/h行駛時(shí)拱頂截面測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線

圖12　10km/h行駛時(shí)拱頂截面測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線

圖13　20km/h行駛時(shí)拱頂截面測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線

圖14　30km/h行駛時(shí)拱頂截面測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線

表6　松光主橋?qū)崪y(cè)沖擊系數(shù)μ

5　結(jié)論

（1）松光大橋主橋靜載試驗(yàn)按設(shè)計(jì)荷載等級(jí)進(jìn)行等效布載，靜載試驗(yàn)試驗(yàn)效率η＝0.96～1.03，滿足《規(guī)程》中的要求，說(shuō)明本次荷載試驗(yàn)反應(yīng)了橋跨結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的受力性能。

（2）靜載試驗(yàn)主梁的應(yīng)變、撓度校驗(yàn)系數(shù)小于《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》規(guī)定的1.00的限值要求，說(shuō)明橋跨結(jié)構(gòu)的截面剛度和整體剛度滿足要求。

（3）荷載卸零后，各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變形在10％以內(nèi)，滿足《規(guī)程》中殘余變形不大于20％的要求。

（4）動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)自振頻率與跨徑相近的同類橋梁相比，在正常范圍以內(nèi)，且略大于理論計(jì)算值，同時(shí)實(shí)測(cè)的阻尼比在常值范圍以內(nèi)，說(shuō)明橋梁的總體剛度較好，結(jié)構(gòu)傳遞振動(dòng)能力及均質(zhì)性較好；橋面無(wú)障礙行車情況下，結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)滿足規(guī)范規(guī)定，橋梁動(dòng)力性能較好；各行車速度下橋梁加速度最大值均小于人體不適限制，說(shuō)明該橋行車舒適性較好。

（5）通過對(duì)松光大橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析表明，松光大橋整體工作性能處于彈性狀態(tài)，承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的使用要求。

參考文獻(xiàn)

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