基于荷載試驗的某石拱橋承載能力評定

■侯冠彬

（福建省交通建設工程試驗檢測有限公司，福州 350004）

1 工程概況

某石拱橋，上部結構：主橋采用3 m×40 m 及兩側引橋采用2 m×8 m 小石子混凝土砌片石板拱，主拱圈矢高6.67 m，矢跨比1/6，拱圈厚0.9 m。下部結構采用片石混凝土橋臺，矩形擴大基礎。 橋面布置：0.25 m（欄桿）+0.8 m（人行道）+7.0 m（機動車道）+0.8 m（人行道）+0.25 m（欄桿）=9.1 m。 荷載等級：汽車-15。 該橋立面、橫斷面布置圖見圖1、圖2。

圖1 該橋立面布置圖

圖2 該橋橫斷面布置圖

通過對該橋進行定期檢測發現，橋面水泥混凝土鋪裝橫向裂縫、水泥混凝土鋪裝破損、水泥混凝土接縫擠壓拱起。 主拱圈、拱上側墻及腹拱圈滲水、拱上側墻與主拱圈脫開、腹拱圈縱向開裂。 橋臺側墻開裂、墩臺基礎沖刷、墩身滲水等病害。 對全橋進行技術狀況評定為4 類， 即主要構件有大的缺損，嚴重影響橋梁使用功能；或影響承載能力，不能保證正常使用[1]。

由于該路段交通量的不斷增長，原橋設計荷載等級為汽車-15， 為了保證既有橋梁的安全運營和盡可能延長其安全使用年限，本次對該橋進行檢測評估，是否滿足現行公路-Ⅱ級的荷載等級要求。

2 靜力荷載試驗

2.1 靜載試驗工況及試驗對象

根據設計圖紙，采用Midas/Civil 有限元程序建立空間模型對本橋進行分析計算，計算模型見圖3。計算模型：現狀橋按公路-II 級車道荷載計算，車道數為2。對橋梁進行內力計算，并通過內力影響線布置荷載工況， 使現場加載的荷載效率介于0.95～1.05，即符合橋梁試驗規范的要求[2]。 橋梁采用2 部36 t 左右重型卡車進行加載。 各工況具體情況見表1。

圖3 橋梁邁達斯有限元計算模型

表1 橋梁各工況設計值、試驗理論值和效率系數

2.2 測試截面及測點布置

選取主橋第4 跨、引橋第2 跨及第7 跨拱頂為撓度測試截面， 在拱頂底均布安裝3 個數顯千分表，并在測試截面附近，觀測試驗荷載作用下有無新增裂縫并觀測其發展趨勢。 車輛荷載車輛布置按有限元模型計算分析得到各測試斷面的內力影響線，將實際加載車輛軸重、軸距等參數進行布載在最不利位置。 撓度測點布置圖見圖4、圖5。

圖4 測試截面布置圖

圖5 A、B 及C 測試截面撓度測點橫斷面布置圖

2.3 靜載試驗數據分析結果

對該橋測試A、B、C 截面的撓度進行了數據測試和采集，該橋工況1～工況9 的實測數據及分析見表2。

由表2 可知，試驗荷載滿載時，撓度校驗系數0.20～0.71 及相對殘余變形位于0.30%～19.87%，滿足規程[3]的要求。在工況1～工況9 的作用下，主拱圈控制截面未出現肉眼可見裂縫。 綜上結果可得：主橋第4 跨、引橋第2 跨及第7 跨整體剛度大于理論剛度，在公路-II 級活載等效荷載作用下，橋梁處于彈性狀態。

表2 各工況作用下撓度實測值及理論值

3 動力荷載試驗

3.1 測試項目及測點布置

3.1.1 環境振動試驗

在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規則振源的情況下，通過高靈敏度拾振器測定橋址處風荷載、地脈動、水流等隨機荷載激振而引起橋跨結構的微幅振動響應，測得結構的自振頻率、阻尼比等動力學特征。 測點應布置在橋梁結構振型的峰、谷點，進行多點多方向的測量。

3.1.2 無障礙行車試驗

無障礙行車的測試截面一般選擇在活載作用下結構內力最大的位置，根據本橋結構的彎矩包絡圖特點，車輛激勵試驗觀測斷面布置在主跨第4 跨拱頂最大正彎矩截面位置。 具體工況見表3。

表3 車輛跑車試驗加載工況

3.2 動力試驗數據分析結果

采用大型通用有限元程序Midas/Civil 對本橋進行了動力特性分析。 本次橋跨結構實測分析結果見表4、表5、圖6。

圖6 橋梁前豎向三階模態

表4 自振頻率和阻尼比測試結果

表5 不同車速激振下實測沖擊系數與理論沖擊系數

由表4、表5、圖6，可得到如下結論：該橋豎向一階自振頻率為4.878 Hz，大于有限元分析得到的豎向一階自振頻率2.089 Hz，表明橋梁實際成橋剛度大于理論剛度，說明橋梁的整體剛度滿足設計要求。 該橋實測的沖擊系數最大值為1.111，小于橋梁理論沖擊系數為1.114， 橋梁實測沖擊系數換算值均小于理論值，說明橋面平整度較好。

4 承載能力檢算

根據現場外觀質量檢測、 靜動載試驗結果，對該橋進行結構檢算，分析評定現狀橋梁結構是否滿足公路-II 級荷載使用要求。

4.1 檢算要點

橋梁承載能力檢算主要是對橋梁結構主要承重構件承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下的有關指標進行驗算。結構承載能力評定時按JTG D60-2015 《公路橋涵設計通用規范》 及JTG D61-2005《公路圬工橋涵設計規范》進行檢算，活載按均勻分布于拱圈全寬，溫度作用按升溫17℃降溫17℃計算。 當滿足以下條件時，即認為承載能力滿足要求：（1）承載能力極限狀態下，控制截面的抗力效應大于檢算荷載作用下最不利內力組合值；（2）正常使用極限狀態下，結構變形滿足要求的容許值。

4.2 檢算參數選取

承載力在評定的時侯， 需綜合考慮檢算系數Z2、截面折減系數ξc，對其結構抵抗力荷載效應進行修正，并通過綜合比較，從而判定出橋梁結構的承載力狀況。

4.2.1 承載能力檢算系數（Z2）

靜載試驗結果，取主要測點撓度校驗系數確定承載能力檢算系數Z2，其中，主橋撓度校驗系數最大0.22、引橋撓度校驗系數最大0.71。 根據規程[3]計算可知，主橋承載能力檢算系數Z2=1.30，引橋承載能力檢算系數Z2=1.095。

4.2.2 截面折減系數（ξc）

根據現場檢查情況分別對以上各檢測指標給出評定標度值，計算得到構件截面損傷的綜合評定值R 見表6～7。

表6 主橋橋梁橋截面損失評定

根據截面損傷的綜合評定值R，得出主橋截面折減系數ξc=1.00。

表7 引橋橋梁橋截面損失評定

根據截面損傷的綜合評定值R，得出引橋截面折減系數ξc=0.984。

4.3 承載能力檢算

考慮公路-Ⅱ級中基本組合： 恒載+活載+整體溫度，所計算主橋及引橋主拱圈在承載能力極限狀態下的荷載效應計算結果見表8～10。

表8 主橋主拱圈在承載能力極限狀態下截面承載能力驗算

表9 引橋主拱圈在承載能力極限狀態下截面承載能力驗算

表10 承載能力檢算系數評定標度

由表8～10 可知， 主橋在現狀下控制截面的抗力在考慮檢算系數和折減系數后，抗彎承載能力均滿足公路-II 級荷載使用要求。 引橋在現狀下控制截面的抗力在考慮檢算系數和折減系數后，抗彎承載能力不滿足公路-II 級荷載使用要求。

5 結論

本研究通過對現狀橋梁進行現場檢測及安全評估，得出以下幾點結論：（1）橋梁總體技術狀況評定為4 類，即有大的缺損，嚴重影響橋梁使用功能，或影響橋梁承載能力，不能保證正常使用。 （2）靜、動載試驗結果表明：主橋第4 跨、引橋第2 跨及第7跨整體剛度大于理論剛度，在公路-II 級活載等效荷載作用下，橋梁處于彈性狀態。 橋梁實測豎向一階基頻大于理論豎向一階計算值，橋梁實際剛度大于理論剛度。 （3）承載能力檢算結果表明：在現狀下控制截面的抗力在考慮檢算系數和折減系數后，該橋抗彎承載能力不滿足公路-II 級荷載使用要求。 （4）基于安全考慮， 建議對該橋進行提升加固改造，嚴禁超載超限，加強對橋跨結構各受力控制截面等重要部件的定期監測和養護管理。