荷載試驗(yàn)在某石拱橋拓寬加固分析中的應(yīng)用★

劉 恒 劉寧輝 楊 妲 劉華興

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程學(xué)院，湖南 衡陽 421002)

0 引言

石拱橋是一種古老的橋型，在山區(qū)、河谷應(yīng)用較多，便于就地取材。但一些石拱橋由于建設(shè)年代較久遠(yuǎn)，橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足現(xiàn)今交通量的需求，因此需要進(jìn)行拓寬加固。拓寬加固之前需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算和試驗(yàn)，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)承載能力是否能滿足新增荷載作用。荷載試驗(yàn)?zāi)茌^直觀地反映結(jié)構(gòu)受力和變形情況，應(yīng)用較為廣泛。

1 工程概況

某石拱橋位于湖南西部山區(qū)，于20世紀(jì)80年代竣工，該橋橋跨結(jié)構(gòu)形式為單跨空腹式石拱橋，主拱圈截面形式為倒T形板拱，由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，原設(shè)計(jì)、施工資料缺失，現(xiàn)場實(shí)測該橋主拱圈為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.412，主拱圈凈跨徑40 m，橋面全寬5.5 m=凈5.0 m(行車道)+2×0.25 m(欄桿)，擬在兩側(cè)懸挑鋼筋混凝土梁，各加寬1 m，加寬后橋面全寬7.5 m=5.0 m(行車道)+2×1.0 m(人行道)+2×0.25 m(欄桿)，擬加固設(shè)計(jì)荷載為城—B級，人群3.5 kN/m2。橋面為現(xiàn)澆C40鋼筋混凝土，下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺。

2 靜載試驗(yàn)

2.1 有限元計(jì)算模型

依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件MIDAS/Civil建模分析。對該橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，共劃分為174個(gè)單元和141個(gè)節(jié)點(diǎn)。主拱圈和腹拱與橋臺連接邊界為剛接，腹拱與橫墻、橫墻與主拱圈采用一般彈性連接中的剛性連接，拱上填料采用梁單元模擬，在橋面混凝土和主拱圈、腹拱圈連接采用釋放梁端約束，承受和傳遞豎向荷載，不產(chǎn)生彎矩。全橋有限元模型見圖1。

2.2 測試內(nèi)容

1)拱頂撓度。

撓度采用百分表測試，拱頂位置兩側(cè)各布置一個(gè)測點(diǎn)。撓度測點(diǎn)布置見圖2。

2)主拱圈應(yīng)力。

在拱頂、拱腳截面主拱圈下緣兩側(cè)各粘貼一個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變采用JM3813多功能靜態(tài)應(yīng)變儀測試。根據(jù)材料彈性模量由胡克定律計(jì)算得出各測點(diǎn)的應(yīng)力。應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖2。

3)裂縫。

裂縫觀測先采用目測和望遠(yuǎn)鏡搜索，發(fā)現(xiàn)有裂縫后采用裂縫觀測儀測量裂縫寬度，用鋼尺測量其長度。

2.3 試驗(yàn)加載

經(jīng)計(jì)算，本次試驗(yàn)采用1臺總重450 kN的三軸汽車進(jìn)行加載，一次性加載和一次性卸載。試驗(yàn)共分為兩個(gè)工況。

工況Ⅰ：拱頂截面最大正彎矩(中載)。

拱頂截面彎矩影響線見圖3。

工況Ⅰ加載車輛布置見圖4。

工況Ⅱ：拱腳截面最大正彎矩(偏載)。

拱腳截面彎矩影響線見圖5。

工況Ⅱ加載車輛布置見圖6。

各工況荷載效率系數(shù)見表1。

表1 靜載試驗(yàn)效率系數(shù)表

2.4 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1)拱頂撓度。

拱頂實(shí)測撓度由拱頂截面實(shí)測值進(jìn)行支座修正后得到的數(shù)值，撓度數(shù)據(jù)見表2。

表2 撓度測試結(jié)果 mm

從表2中可以看出，各工況下各測點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.70～0.84之間，各測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)均小于1，各測點(diǎn)相對殘余變位均小于20%，說明在擬加固荷載等級作用下結(jié)構(gòu)剛度較好。

2)主拱圈應(yīng)力。

主拱圈實(shí)測應(yīng)變由儀器自動(dòng)記錄，應(yīng)力根據(jù)胡克定律由實(shí)測應(yīng)變和材料的彈性模量計(jì)算得出。各測試截面應(yīng)變數(shù)據(jù)見表3，表中數(shù)據(jù)為同一截面兩處應(yīng)變的平均值。

表3 應(yīng)變測試結(jié)果 με

從表3中可以看出，各工況下各測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.76～0.78之間，各測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)均小于1，各測點(diǎn)相對殘余應(yīng)變均小于20%，說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能滿足擬加固設(shè)計(jì)荷載作用。

3)裂縫。

未發(fā)現(xiàn)裂縫。

3 動(dòng)載試驗(yàn)

3.1 理論分析

利用上述模型，采用Lanczos法進(jìn)行動(dòng)力性能分析。全橋前兩階計(jì)算結(jié)果見表4，振型圖見圖7。

表4 模態(tài)計(jì)算結(jié)果表

3.2 自振特性結(jié)果

利用環(huán)境激勵(lì)測定結(jié)構(gòu)自振特性，時(shí)程曲線和頻譜分析見圖8。

從圖8分析得出，結(jié)構(gòu)一階自振頻率實(shí)測值為5.875 Hz，大于理論值2.439 Hz，說明結(jié)構(gòu)剛度較好。

4 結(jié)語

1)在擬加固設(shè)計(jì)荷載作用下，各測點(diǎn)撓度、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.70～0.84之間，均小于1，殘余變位基本上在20%以內(nèi)，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂縫，說明該橋安全儲(chǔ)備較高，能滿足擬加固設(shè)計(jì)荷載要求。

2)該橋試驗(yàn)跨實(shí)測自振頻率大于理論計(jì)算值，結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。