某石拱橋特重車輛通行安全評估

鄧守國

(四川振通公路工程檢測咨詢有限公司，四川綿陽 621000)

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某石拱橋特重車輛通行安全評估

鄧守國

(四川振通公路工程檢測咨詢有限公司，四川綿陽 621000)

文章通過對空腹式石拱橋進行現場荷載試驗，加載效應與擬通過特重車輛相當，對荷載試驗數據分析判斷，為石拱橋通行特重車輛的安全性進行了準確評估。

石拱橋； 特重車輛； 荷載試驗； 安全評估

橋梁在現代交通運輸中占據著極其重要的位置，給人類帶來了許多的便捷，并促進著交通運輸的不斷發展。如今隨著橋梁數量迅猛增長，越來越多的安全事故和安全隱患出現在橋梁中，給人類也帶來了巨大的損失。

隨著科學技術的不斷發展，成熟的橋梁檢測及監測手段能夠及時監控橋梁的健康穩定狀況，通過分析并對受損橋梁采取對應的保護措施加固，延長橋梁的使用壽命。為橋梁竣工驗收、運營維修提供技術理論依據，并通過不斷的經驗累積，為提高我國橋梁建設的整體水平創造條件，為今后橋梁的養護管理提供有效的科學依據。

1 工程概況

該橋位于國道212線蒼溪境內，等截面空腹式懸鏈線無鉸石拱橋，上部結構為凈跨徑30 m的石砌板拱，下部結構為重力式U型橋臺，橋梁全長74 m，橋面寬度=8.5 m車道+2×0.75 m護欄=10 m，橋梁建成于1996年5月。設計荷載：汽車-20級。橋梁凈跨徑30 m，凈矢高6 m，計算跨徑30.546 m，計算矢高6.108，矢跨比1/5，拱軸系數m=2.240。腹拱圈拱厚0.3 cm，凈跨徑2.4 m，凈矢高0.6，矢跨比1/4。主拱圈厚度0.8 m ，寬度9.8 m，慣性矩I=0.418 m4。

由于該橋將有重達214 t的特重車通過，為檢驗該橋在特重車荷載作用下的受力情況，確保橋跨結構安全及特重車順利通過，需對該橋進行外觀檢測、荷載試驗及通過性能安全評估。通過有限元數值模擬分析方法，并結合現場荷載試驗，對該橋進行了多種工況的計算與試驗分析，為該橋通過特種車輛的安全性進行了準確評估，為該橋的加固處治提供可靠依據。

2 靜載試驗方案

2.1 試驗內容

該橋主跨為無鉸石拱橋，根據其受力特點，確定靜載試驗內容為：

(1)跨中截面最大正彎矩加載試驗；

(2)拱腳截面最大負彎矩加載試驗。

2.2 靜載試驗測點布置

(1) 應力測點：在跨中截面主拱圈下緣布置5個測點，拱腳截面主拱圈下緣布置5個測點，共計10個應力測點；

(2) 撓度測點：沿橋面中線在撓度測試位置(四分點和跨中)處各布置1個測點，共計3個撓度測點。

2.3 靜載試驗測試方法

在靜載試驗設計前，首先對待試驗橋梁進行荷載試驗計算分析，計算該橋在特重車荷載作用下結構的活載效應。

2.3.1 試驗荷載確定原則

在計算分析的基礎上，本次靜力試驗荷載采用載重汽車充當，就某一檢驗項目而言，所需車載重量，根據特重車荷載產生的該檢驗項目(內力和位移等)的最不利效應值，宜滿足下式所定原則等效換算而得：

式中：ηq為靜載試驗效率系數；Ss為試驗荷載作用下某一檢驗項目最大計算效應值；S為設計控制荷載作用下該檢驗項目的最不利計算效應值；μ為設計取用的沖擊系數。

試驗截面特重車荷載作用產生的最大等效計算彎矩及試驗彎矩見表1。荷載效率系數為1.01～1.02，滿足檢測規程建議的0.95～1.05的范圍。

表1 試驗截面試驗彎矩、計算彎矩及荷載效率系數

2.3.2 試驗加載方式與加載分級

為了獲得結構試驗荷載與變位關系的連續響應和防止結構意外損傷，加載方式為單次逐級遞加到最大荷載，然后卸載到零級荷載，再滿載回零。

2.3.3 靜載試驗測試流程及數據處理

按工況并以輪位圖加載，測量應力、撓度等數據。采用首先用50 %試驗荷載預載，然后逐級加載。

為實現對加載試驗的實時控制，保證結構安全，在試驗過程中及時地將實測控制數據及應力、撓度等換算處理，并與試驗設計計算值進行比較，以判斷試驗荷載下的結構工件作性能。

2.4 靜載試驗測試結果

2.4.1 撓度測試結果

該橋各試驗截面在荷載作用下，撓度實測值與計算值的比較分析見表2。

該橋跨中截面最大正彎矩加載工況下撓度結構校驗系數為0.46～0.55，拱腳截面最大負彎矩加載工況下撓度結構校驗系數為0.10～0.24，均符合JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中校驗系數η≤1.0的規定。

表2 各加載工況下撓度實測值與計算值的比較分析

注：表中撓度數據向上為負值，向下為正值。

2.4.2 應變測試結果

該橋各試驗截面在荷載作用下，應變實測值與計算值的比較見表3。

表3 各加載工況下應變實測值與計算值的比較

注：表中應變受拉為“+”，受壓為“-”。

該橋跨中截面最大正彎矩加載工況下應變結構校驗系數為0.55，拱腳截面最大負彎矩加載工況下應變結構校驗系數為0.49，均符合JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中校驗系數η≤1.0的規定。

在靜載試驗過程中，對梁體進行觀察，梁體表面無新裂紋產生，舊裂縫未開展，未見其他異常現象，結構在試驗荷載下接近彈性受力狀態。

3 動載試驗

3.1 動載試驗內容

選取橋梁主跨進行動力荷載試驗，試驗內容為：

(1)脈動試驗，用于測定試驗橋跨結構固有振動特性，包括頻率、振型和阻尼比；

(2)無障礙行車試驗，主要用于測定試驗橋跨跨中截面，模擬橋面鋪裝層完好情況下，橋跨結構在運行車輛荷載作用下的動載響應和沖擊系數；

(3)跳車試驗，主要用于測定試驗橋跨跨中截面，模擬橋面鋪裝局部損傷的情況下，橋跨結構在運行車輛荷載作用下的動載響應和沖擊系數。

3.2 動載試驗測點布置

(1)脈動試驗，測定橋跨結構的固有頻率、振型及阻尼比。沿橋面中線四分點和跨中各布置1個測點，共計3個測點。

(2)無障礙行車試驗，測試截面在行車(5～20 km/h)激振下的動應力及動力增大系數(沖擊系數)。

(3)跳車試驗，測試截面在跳車(5～10 km/h)激振下的動應力及動力增大系數(沖擊系數)。

動應力測點：在試驗跨跨中截面主拱圈底面中位置布置1個動應力測點。

3.3 動載試驗測試方法

3.3.1 脈動試驗

在橋面無交通荷載、橋梁附近無規則振源的情況下，測定橋跨結構由于橋址處風荷載、地脈動或水流等隨機荷載激振而引起的橋跨結構微幅振動響應。脈動試驗主要測定橋跨結構固有頻率、振型和臨界阻尼比。

3.3.2 無障礙行車試驗

無障礙行車試驗，在橋面無任何障礙的情況下，用1輛重載汽車(重400 kN)沿橋面中線，以5 km/h、10 km/h等速度往返通過橋跨結構，測定橋跨結構在運行車輛荷載作用下的動力響應和沖擊系數。

3.3.3 跳車試驗

跳車試驗，模擬橋面鋪裝局部損傷狀態下，橋跨結構在運行車輛荷載作用下的動力響應和沖擊系數。其基本荷載及作用方法與無障礙行車試驗相同；而模擬橋面鋪裝局部損傷的方法，是在橋跨結構橋面適當位置設置橫斷面為高7.5 cm、底寬30 cm的三角形木板制作的障礙物，實現對橋面損傷后凹凸起伏的典型化模擬。

3.4 動載試驗測試結果

3.4.1 自振特性測試結果

自振特性的測試采用環境激勵法，對測試結果進行模態分析，實測豎向1階振型；從中可以看出，橋跨結構豎向1階實測頻率f1=9.48 Hz,豎向1階頻率實測值與理論計算 值的比值f1/[f1]=9.48/8.08=1.17，表明橋跨結構的動力性能良好；實測阻尼比為3.51 %，表明結構有較好的耗散外部能量輸入的能力。

3.4.2 激振試驗

激振試驗分為行車激振和跳車激振，在不同車速下橋跨結構沖擊系數見表4。對實測沖擊系數進行分析可以看出：

表4 橋跨結構行車、跳車沖擊系數

(1)沖擊系數理論計算值為0.35，實測行車沖擊系數在0.09～0.24，均小于理論計算值；

(2)跳車沖擊系數在0.43～0.86，說明橋面局部破損狀態下，車輛沖擊對橋跨結構影響較大，須定期觀測橋面鋪裝工作情況，如果橋面鋪裝破損較嚴重，則應立即封閉交通進行處理。

4 結論

(1) 該橋跨中截面最大正彎矩加載工況下撓度結構校驗系數為0.46～0.55，拱腳截面最大負彎矩加載工況下撓度結構校驗系數為0.10～0.24，均符合JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中校驗系數η≤1.0的規定；

(2) 該橋跨中截面最大正彎矩加載工況下應變結構校驗系數為0.55，拱腳截面最大負彎矩加載工況下應變結構校驗系數為0.49，均符合JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中校驗系數η≤1.0的規定；

(3)該橋豎向1階實測頻率f1=9.48 Hz, 實測阻尼比為3.51 %，豎向1階頻率實測值與理論計算值的比值f1/[f1]=9.48/8.08=1.17，表明橋跨結構的動力性能良好；

(4)沖擊系數理論計算值為0.35，實測行車沖擊系數在0.09～0.24，均小于理論計算值；跳車沖擊系數在0.43～0.86，說明橋面局部破損狀態下，車輛沖擊對橋跨結構影響較大，須定期觀測橋面鋪裝工作情況，如果橋面鋪裝破損較嚴重，則應立即封閉交通進行處理。

(5)本文結合荷載試驗分析，對該石拱橋通行特重車輛的安全性做出了全面評估，為該橋的加固維修提供了準確依據，為類似橋梁的安全評估作借鑒參考。

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鄧守國(1979～)，男，本科，工程師，從事公路工程質量檢測和質量監督工作。

U446.3

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[定稿日期]2017-04-14