偏心加載作用下某拱結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)研究*

高巖淵，劉 華，汪 鋒，張 劍，王京杭

(1.江蘇揚(yáng)子江高速通道管理有限公司，江蘇 江陰 214400；2.中鐵橋隧技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210031；3.江蘇寧滬高速公路股份有限公司，江蘇 南京 210049；4.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

橋梁結(jié)構(gòu)的荷載試驗(yàn)包含靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)。橋梁靜載試驗(yàn)主要是通過(guò)測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下各控制截面的應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變形，從而確定橋梁實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)期望值是否相符，它是檢驗(yàn)橋梁性能及工作狀態(tài)(如結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度)最直接、最有效的方法[1-3]。對(duì)實(shí)橋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察和調(diào)查，初步了解橋梁當(dāng)前工作狀況。建立橋梁計(jì)算模型，進(jìn)行設(shè)計(jì)活載分析并結(jié)合橋梁調(diào)查結(jié)果，確定橋梁測(cè)試控制截面和應(yīng)力(應(yīng)變)、撓度(變形)測(cè)點(diǎn)布置[4-5]。選取試驗(yàn)荷載類型，根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)和目前實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況，確定試驗(yàn)荷載等級(jí)。確定加載工況、加載位置和加載步驟[6-7]。比較試驗(yàn)荷載下測(cè)點(diǎn)的理論值與實(shí)測(cè)值，對(duì)實(shí)橋的實(shí)際工作狀況進(jìn)行評(píng)定。評(píng)判指標(biāo)有靜力荷載試驗(yàn)結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)系數(shù)、相對(duì)殘余變形等[8-9]。靜力荷載試驗(yàn)結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)系數(shù)是試驗(yàn)荷載作用下測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)彈性變形值與相應(yīng)的理論計(jì)算值的比值，當(dāng)值小于1時(shí)，代表橋梁的實(shí)際狀況要好于理論狀況。相對(duì)殘余變形是測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)殘余變形與對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)總變形的比值，且比值越小，說(shuō)明結(jié)構(gòu)越接近彈性工作狀況。本文以某拱結(jié)構(gòu)橋梁為對(duì)象，設(shè)計(jì)偏心加載試驗(yàn)方案，對(duì)偏載作用下拱結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行研究。

1 工程概況

主拱肋的預(yù)制構(gòu)造由16根拱肋、15個(gè)拱波組成，現(xiàn)澆層高出拱6 cm。主拱圈斷面高度為78.5 cm，在跨越鐵路的跨線橋部分，主拱圈斷面高度為68.3 cm。結(jié)構(gòu)體系為等截面的無(wú)鉸拱，立面布置如圖1所示，拱結(jié)構(gòu)橫截面構(gòu)造如圖2所示。拱肋為250級(jí)鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件，拱肋中心距為1.3 m，群肋邊至邊總寬度為19.76 m。拱肋與臺(tái)帽的連接，采用平口插入后現(xiàn)澆細(xì)石混凝土填實(shí)。拱肋與拱肋間用橫向連桿連接，斷面為8 cm×11 cm，連桿最大間距為1.8 m。橫隔板設(shè)置在拱肋接頭處，現(xiàn)場(chǎng)澆筑。拱波為200級(jí)混凝土構(gòu)件，系圓弧拱，拱波厚度6 cm。

2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及大橋荷載技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為公路汽-18，采用重約300 kN的載重汽車作為試驗(yàn)荷載進(jìn)行加載。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果，并參照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，該引橋共計(jì)采用20輛重約300 kN的載重汽車作為試驗(yàn)加載車輛。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)、應(yīng)變片測(cè)試結(jié)構(gòu)應(yīng)變。使用電子位移計(jì)/拉線式位移計(jì)測(cè)量結(jié)構(gòu)因試驗(yàn)加載而產(chǎn)生的撓度值。在跨中截面布置了橋梁靜載試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)與變形測(cè)點(diǎn)分別如圖3與圖4所示。

3 荷載試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)截面

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，確定橋梁靜載試驗(yàn)控制截面。雙曲拱結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖如圖5所示?？缰薪孛嬲龔澗貙?duì)稱加載，測(cè)試跨中截面測(cè)點(diǎn)變形?？缰薪孛孀畲笳龔澗赜绊懢€如圖6所示，偏心加載時(shí)車輛縱向加載輪位布置圖如圖7所示，車輛橫向加載輪位布置圖如圖8所示。

根據(jù)工況加載車輛的布置，用橋梁專用計(jì)算程序計(jì)算出各工況試驗(yàn)荷載作用下相應(yīng)測(cè)試截面的內(nèi)力效應(yīng)值為84.49 kN·m，同時(shí)計(jì)算設(shè)計(jì)荷載作用下相應(yīng)測(cè)試截面的內(nèi)力效應(yīng)值為85.07 kN·m，故本次試驗(yàn)靜力試驗(yàn)荷載效率為0.99。靜力試驗(yàn)荷載效率介于0.95～1.05，滿足試驗(yàn)規(guī)程要求。

3.2 變形測(cè)試結(jié)果及分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，采用靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)、應(yīng)變片測(cè)試結(jié)構(gòu)應(yīng)變，主要測(cè)點(diǎn)(加*表示)在各級(jí)加載工況下實(shí)測(cè)應(yīng)變結(jié)果見(jiàn)表1，其中以正值為受拉，負(fù)值為受壓。梁體加載變形測(cè)試主要采用拉線式位移計(jì)測(cè)量進(jìn)行。主要測(cè)點(diǎn)在各級(jí)加載工況下實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。表中正值表示下?lián)?，?fù)值表示上拱，S1測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集儀器失效，未能有效采集。

表1 雙曲拱橋跨中A截面偏心加載應(yīng)變實(shí)測(cè)值

表2 雙曲拱橋跨中截面加載測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)變形

由表1可知：在拱頂截面最大正彎矩偏心加載作用下，雙曲拱橋混凝土主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.65～1.10，拱頂截面最大拉應(yīng)變值為69 με(相應(yīng)理論值為68 με)；試驗(yàn)荷載卸除后，結(jié)構(gòu)相對(duì)殘余應(yīng)變或相對(duì)殘余應(yīng)變均較小，表明結(jié)構(gòu)彈性恢復(fù)能力較好。由表2可知：在拱頂最大正彎偏心加載作用下，雙曲拱橋拱頂截面主要測(cè)點(diǎn)最大變形為1.32 mm(相應(yīng)理論計(jì)算值為1.93 mm)。所有主要測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)變形值均小于理論計(jì)算值。主要測(cè)點(diǎn)變形校驗(yàn)系數(shù)為0.39～0.68，均小于1。卸載后，主要測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余變形率均小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某拱結(jié)構(gòu)引橋的跨中截面正彎矩偏心加載，分析了偏心加載作用下跨中截面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變及變形、殘余應(yīng)變和殘余變形等。試驗(yàn)荷載卸除后，結(jié)構(gòu)相對(duì)殘余應(yīng)變或相對(duì)殘余應(yīng)變均較小，表明結(jié)構(gòu)彈性恢復(fù)能力較好。主要測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余變形率均小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。本文分析方法可供其他相應(yīng)工程分析參考。