某大跨度鋼筋混凝土箱形拱橋承載能力評(píng)估研究

摘要 為檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，通過(guò)荷載試驗(yàn)評(píng)定某大跨度鋼筋混凝土箱形拱橋的靜力特性、動(dòng)力特性和承載能力。在靜載試驗(yàn)中，測(cè)量了主拱圈控制截面的變形和內(nèi)力，包括撓度（應(yīng)變）校驗(yàn)系數(shù)和殘余撓度（應(yīng)變）；在動(dòng)載試驗(yàn)中，測(cè)定了橋梁的自振頻率和沖擊系數(shù)，并與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：該鋼筋混凝土箱形拱橋結(jié)構(gòu)具有良好的剛度并處于彈性工作狀態(tài)，動(dòng)力性能良好，行車(chē)性能較好，承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)（公路-Ⅰ級(jí)）的正常使用要求。

關(guān)鍵詞：大跨度鋼筋混凝土箱形拱橋；數(shù)值模擬；荷載試驗(yàn)；承載能力

中圖分類(lèi)號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）18-0055-03

0 引言

荷載試驗(yàn)是橋梁檢測(cè)常用方法之一[1]，對(duì)新建、加固或改建公路橋梁的結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況和承載能力評(píng)定有著重要的意義。該文以某大跨度鋼筋混凝土箱形拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，通過(guò)靜載試驗(yàn)研究橋梁結(jié)構(gòu)的靜力特性，通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)研究橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，進(jìn)而綜合評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求，為橋梁交（竣）工驗(yàn)收提供科學(xué)依據(jù)，并為后續(xù)跨度更大、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的鋼筋混凝土箱形拱橋承載能力評(píng)估積累參考技術(shù)資料。

1 工程概況

某大跨度鋼筋混凝土箱形拱橋主橋布置為1×100 m的上承式拱橋，全橋孔跨布置為1×16 m現(xiàn)澆空心板+1×100 m上承式箱形拱+1×16 m現(xiàn)澆空心板，橋梁全長(zhǎng)145.93 m。主拱圈采用等高單箱雙室懸鏈線無(wú)鉸拱，凈跨徑L0=100 m，凈矢跨比1/5，拱軸系數(shù)m=1.988，拱箱截面高2.2 m，頂?shù)装濉⑼鈧?cè)腹板厚度均為30 cm，中腹板厚度25 cm。拱上立柱采用1.2 m×1.2 m的方形斷面，橋面寬度9 m（單側(cè)為0.5 m防撞護(hù)欄+1 m路緣帶兼人行道+3 m行車(chē)道），橋面鋪裝采用12 cm防水混凝土。主拱圈、拱座、橋面板采用C40混凝土，墊墻、系梁、蓋梁采用C30混凝土。公路等級(jí)為四級(jí)，汽車(chē)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)時(shí)速為20 km/h。

2 數(shù)值模擬

運(yùn)用有限軟件Midas/Civil進(jìn)行詳細(xì)建模計(jì)算分析，進(jìn)行運(yùn)營(yíng)荷載組合計(jì)算，得到最不利截面。模型建立：采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模，全橋共建立節(jié)點(diǎn)305個(gè)，梁?jiǎn)卧?71個(gè)。邊界條件：拱橋邊界條件為固結(jié)，拱上立柱與主拱圈、梁板與拱上立柱均采用彈性連接，梁板在拱上立柱位置釋放梁端約束。荷載情況：（1）恒載，即結(jié)構(gòu)自重，按照結(jié)構(gòu)尺寸、材料類(lèi)型及密度計(jì)算，并考慮1.04倍的自重；（2）汽車(chē)活荷載，按雙向2車(chē)道和公路-Ⅰ級(jí)考慮；（3）橋面鋪裝，混凝土橋面鋪裝按照其厚度考慮進(jìn)梁頂板高度；（4）混凝土護(hù)欄，按照重量折算成線荷載施加在邊梁上。橋梁有限元模型如圖1所示。一階豎向振型圖如圖2所示。

3 靜載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工況

由于該橋橋面較窄，僅為雙向兩車(chē)道，靜載試驗(yàn)只做中載。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）第5.3.2條[2]規(guī)定及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，選取三個(gè)測(cè)試工況詳如表1所示。測(cè)試截面如圖3所示。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

3.2.1 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

所有應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于箱形拱橋主拱圈混凝土外表面上，其中主要測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

3.2.2 撓度測(cè)點(diǎn)

撓度測(cè)點(diǎn)位于拱頂及小里程側(cè)拱腰截面，每個(gè)截面布置兩個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置立面圖如圖5所示。

3.3 靜載試驗(yàn)荷載值及加載效率

通過(guò)數(shù)值模擬分析，工況1～工況3靜力加載需要加載車(chē)4輛，每輛重420 kN。各工況作用下的試驗(yàn)彎矩、設(shè)計(jì)彎矩、效率系數(shù)如表2所示。從表中可以得出，所有工況的荷載效率系數(shù)均介于0.85～1.05之間，處于《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）第5.4.2條[3]規(guī)定的范圍。

3.4 靜載試驗(yàn)結(jié)果

3.4.1 撓度測(cè)試結(jié)果

該橋主拱圈拱頂、小里程側(cè)拱腰截面的撓度測(cè)試結(jié)果如表3所示。從表中可以得出，各工況測(cè)試截面撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.73～0.77之間，相對(duì)殘余在3.71%～8.73%之間。

3.4.2 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

該橋主拱圈拱頂、小里程側(cè)拱腳、小里程側(cè)拱腰截面的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如表4所示。從表中可以得出：各工況測(cè)試截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.63～0.78之間，相對(duì)殘余在0.00%～12.50%之間。

4 動(dòng)載試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)工況

動(dòng)載試驗(yàn)工況如表5所示。測(cè)試截面分別為拱頂、小里程側(cè)拱腰和小里程側(cè)拱腳截面。

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)拱橋結(jié)構(gòu)受力特性，選取拱頂、小里程側(cè)拱腰、小里程側(cè)拱腳截面作為動(dòng)應(yīng)變測(cè)試截面，選取拱上立柱頂橋面作為加速度測(cè)試截面，如圖6所示。

無(wú)障礙行車(chē)、制動(dòng)試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置：動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)選用靜載應(yīng)變測(cè)點(diǎn)中效果良好的2～3點(diǎn)。

4.3 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 結(jié)構(gòu)自振特性

該橋?qū)崪y(cè)豎向振動(dòng)頻譜圖如圖7所示。實(shí)測(cè)基頻為1.81 Hz，大于理論基頻1.45 Hz。

4.3.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

10 km/h、20 km/h無(wú)障礙行車(chē)和10 km/h制動(dòng)試驗(yàn)下實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)如表6所示。由表中可以得出：無(wú)障礙行車(chē)下，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)（1+μ）為1.03～1.09，小于或接近《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[4]的計(jì)算值1.05。

5 結(jié)論

（1）該橋各工況的荷載試驗(yàn)效率均在0.85～1.05之間，試驗(yàn)結(jié)果能夠反映結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)。

（2）該橋各工況主要測(cè)試截面撓度、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1，并且相對(duì)殘余撓度、應(yīng)變絕對(duì)值均小于20%，滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）及《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）的要求，橋梁結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求，并且處于較好的彈性工作狀態(tài)。

（3）該橋結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)基頻大于理論基頻，表明該橋的實(shí)際剛度大于理論剛度，橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性良好。

（4）無(wú)障礙行車(chē)下，該橋?qū)崪y(cè)沖擊系數(shù)（1+μ）小于或接近《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）的計(jì)算值，表明該橋橋面平整度較好，行車(chē)沖擊作用較小。

（5）綜合分析，該大跨度鋼筋混凝土箱形拱橋的承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)（公路-I級(jí)）的正常使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1]王君偉.公路橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)在橋梁養(yǎng)護(hù)中的作用和對(duì)策[J].交通世界，2020（24）：97-98.

[2]公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程：JTG/T J21-01—2015[S].北京：人民交通出版社，2016.

[3]公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程：JTG/T J21—2011[S].北京：人民交通出版社，2011.

[4]公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTG D60—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.