尤溪清溪口大桥荷载试验

廖福星

(三明市交通建设投资有限公司 福建三明 365000)

圬工拱桥外形优美，承载能力强，应用范围广泛[1]。近年来，随着交通路网建设的开展，交通量的增加，车辆荷载等级的提高，对现存的圬工拱桥的技术要求也相应提高。尤溪县清溪口大桥位于县道X733，为七官场、清溪口等几个自然村去往尤溪县城的必经之道，距离省道S206跨尤溪桥约200m。该桥为2跨26.7m敞肩式石拱桥，总体布置如(图1)。大桥原设计荷载等级为汽车-10级，由于使用年限较长，目前桥梁结构现有承载力是否还能安全承受设计荷载，需要通过荷载试验来检验。

图1 清溪口大桥总体布置图单位:cm

1 外观检查

在全桥外观检查中病害情况较为严重。在2#台拱脚中心线处水泥铺装层错台，板块凹陷、填料外露;主拱圈1#孔、2#孔主拱圈多处存在砂浆面层脱落、渗水、泛白等迹象;腹拱存在多处贯通裂缝，最大处裂缝宽度达到1cm;2#桥台砌体大范围出现破损、剥落、松动、变形等现象。而台背路面明显沉降，桥头跳车严重。主要病害图详见(图2)所示。按公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T H21-2011)[2]对桥梁技术状况进行评定，判定大桥桥梁总体技术状况评定为5类。

图2 清溪口大桥主要病害图

桥面平整度对车辆振动位移响应、冲击系数等均有较大的影响。因此，外观检查还对桥面平整度进行了测定。量测过程中选用TOKIMEC生产的激光连续式平整仪LP_300A，测定间距为5cm，沿路缘两侧共测得2条桥面纵断面高程。从路面平整度曲线图(图3)中可以看出，清溪口大桥路面平整度测量距离为133m，测量结果标准偏差为7.86mm;清溪口大桥绝大多数接缝两侧出现高差现象，其高差大于10mm，表明该桥的路面平整度较差。

2 静载试验

静载试验采用等效设计荷载对桥梁结构实施加载。试验荷载下的各测试项目达到检测规范要求“主拱拱顶截面挠度和主拱3L/4截面挠度效应达到设计值的95～105%(静载试验效率η)”见(表1)。

桥梁的挠度测试截面设置在1#、2#桥孔的两个拱脚、L/4、L/2和3L/4截面位置对应桥面系位置，共布置18个测点(图4)。试验过程中采用徕卡电子水准仪配合条码尺，对桥面测点标高进行量测，以得到桥面竖向变形。

理论分析采用桥梁专用有限元程序MIDAS CIVIL[3]建立有限元模型，主拱圈、腹拱圈、立墙和桥面板采用三维梁单元进行模拟，侧墙和拱上填料采用集中荷载和梯形荷载进行模拟。模型共划分306个单元、326个节点。有限元模型(图5)。通过计算试验荷载作用下结构的竖向变形，对比试验实测挠度，判定桥梁结构现有技术状况。

表1 静载测试工况及测试内容

图3 清溪口大桥实测路面平整度曲线

图4 清溪口大桥挠度测点纵桥向布置

图5 清溪口大桥有限元模型

限于篇幅，下(表2、表3)及(图6)示出了静载试验的挠度测试的部分结果。从中可见，结构挠度规律与有限元计算基本一致;控制截面测点挠度校验系数的最大值为0.86，符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》规定的挠度校验系数不大于1.00的要求。退载后变形基本可恢复，控制测点的最大相对残余变形基本符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》中的残余变形不超过20%的限值要求。但同时(表3)数据表明，工况二作用下，测点1-8残余变形28.57%，大于20%的要求。因此，主拱圈承载能力不满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》要求。

表2 工况二各测点挠度实测值与理论值的比较(单位:mm)

表3 工况三各测点挠度实测值与理论值的比较(单位:mm)

图6 不同工况下各测点挠度实测值与理论值关系图

3 动载试验

动载试验主要进行环境脉动试验及强迫振动试验，以测试结构动力响应。(图7)示出了清溪口大桥拱顶截面实测的环境振动时程曲线。实测竖向一阶自振频率为3.23Hz，略小于理论计算值3.85Hz，实测振型与理论计算振型基本一致。

图7 环境振动试验的加速度时程曲线

冲击系数是确定车轴荷载对桥梁动力作用的重要技术参数，冲击系数的大小综合反映了桥面平整度、运行车辆的动力性能、车速等因素对结构动力性能的影响。将应变时程曲线进行时域分析后得不同车速下的冲击系数，列于(表4)中。可见实测标准荷载作用下车辆对桥梁的冲击系数为1.18～1.54。按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)[4]的规定，设计冲击系数应取1.00。因此，在正常行车时，清溪口大桥实测冲击系数比设计值大，冲击系数较大的主要原因在于路面不平整和桥面铺装错台。

表4 清溪口大桥实测冲击系数

4 结论

1)根据外观检查中发现主要病害，如主拱圈1#孔、2#孔主拱圈多处存在砂浆面层脱落、渗水、泛白等迹象;腹拱存在多处贯通裂缝等，按照《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T H21-2011)对桥梁技术状况进行评定，判定大桥桥梁总体技术状况评定为5类。

2)清溪口大桥静载试验按设计荷载汽-10级进行等效布载，本次静载试验效率为η=0.96～1.02，试验是有效的。试验工况下，挠度规律与理论计算基本一致;控制截面测点挠度校验系数的最大值为0.86，符合规程(JTG/T J21-2011)规定的挠度校验系数不大于1.00的要求。但退载后控制测点的最大相对残余变形为28.57%，超过规程(JTG/T J21-2011)规定的残余变位20.00%的限值。

3)清溪口大桥环境振动实测竖向一阶自振频率为3.23Hz，略小于理论计算值3.85Hz，实测振型与理论计算振型一致。实测标准荷载作用下车辆对桥梁的冲击系数为1.18～1.54，大于《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)

中规定设计冲击系数1.00的要求。因此，在正常行车时，清溪口大桥实测冲击系数比设计值大，冲击系数较大的主要原因在于路面不平整。

[]范立础.桥梁工程(第二版)[M].人民交通出版社.2012.

[2]JTG/T J21-2011，公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[3]桥梁工程软件MIDAS CIVIL应用工程实例[M].人民交通出版社.北京，2011.

[4]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].