塘屿刚架拱桥的荷载试验研究

罗 子 文，罗 成 斌

（1.中国建筑科学研究院上海分院，上海200023；2.上海建科结构新技术工程有限公司，上海 200023）

塘屿刚架拱桥的荷载试验研究

罗 子 文1，2，罗 成 斌1，2

（1.中国建筑科学研究院上海分院，上海200023；2.上海建科结构新技术工程有限公司，上海 200023）

荷载试验是评估桥梁实际工作状态和承载能力最直接的方法，也是评定桥梁结构的使用状况的有效方法。文章以塘屿刚架拱桥为工程实例，通过对桥梁结构在荷载作用下的应变、变形、振动频率及振幅等实际响应的研究，阐述了荷载试验的静载试验和动载试验过程，分析了荷载试验结果，阐明了桥梁结构承载能力与工作状态。结果表明：静载试验中，荷载试验效率为0.96～1.00，测试截面的混凝土应力校验系数为0.23～0.82，钢筋应力校验系数为0.04～0.12，试验桥跨的强度能够满足设计荷载的使用要求；动载试验中，实测竖向变形校验系数均值为1.10，自振频率为3.91 Hz，冲击系数为0.35，均小于规范限值或理论计算值要求，使得桥跨的竖向整体刚度不足，冲击效应偏大。

刚架拱桥；荷载试验；承载能力

0 引言

刚架拱桥是一种以无支架施工技术为基础而发展起来的新型桥梁。这种结构形式的桥梁除了具有双曲拱桥、桁架拱桥、肋拱桥以及斜腿刚构等桥型的某些特点外，还具有构件少、整体性好、刚度较大、自重较轻、造型美观等优点。刚架拱桥的主要结构由刚架拱片、横梁、微弯板及桥面系等几个部分组成。刚架拱桥的受力趋于整体受力，拱的特性又在结构内部形成高次超静定，是一种有推力拱。此外，刚架拱桥对地基的承载力要求比其它类型的拱桥要低［1-7］，已被广泛应用于跨径为25～70 m的桥跨结构。

我国的刚架拱桥最早出现于20世纪70年代中后期。江苏无锡志公桥（1979年，跨径50 m）是我国最早修建的刚架拱桥。此后的一段时间内，江苏、山东、广东、辽宁等地先后新建了多座刚架拱桥，从结构形式、跨径、施工技术及使用经验等多方面有了大量的积累［7-8］。但是随着经济、交通的发展，一些年代较久的刚架拱桥会因设计荷载等级偏低、结构材料性能不足、日常管养不到位、超载车辆通行等多方面的原因，使得桥梁结构出现多种病害，其承载能力也表现出退化和降低［5-10］，这一类桥梁可能长期处于超负荷运营状态。为了确保桥梁结构的安全运营，需要对这一类桥梁采取科学、合理的方法确定其现有的实际承载能力。目前用于旧桥承载能力评估最主要的方法是荷载试验法。荷载试验是最直接有效的方法。对老旧桥梁结构开展的荷载试验，在其现状检测评估基础上，对桥梁结构施加确定荷载，通过相应的测试方法和手段，量测结构对所施加荷载的实际响应（如应变、变形、振动频率及振幅等），并以此来评判桥梁结构的实际承载能力和使用状况，掌握桥梁结构的日常实际工作状态，为桥梁结构的养护、维修及加固提供基本资料和依据。桥梁结构荷载试验包括静载试验和动载试验，静载试验主要用于评定桥梁结构在正常使用状态下的承载能力和使用性能，动载试验则主要用于评定结构的动力特性。

1 工程概况

塘屿大桥位于福建省长乐市，为一座南北走向的钢筋混凝土刚架拱桥。桥梁的净跨径为45.0 m，净矢高为 5.62 m（矢跨比为1／8），建筑总长度为99.08 m，桥面总宽为 12.0 m，通行净宽为9.0 m。桥面采用钢筋混凝土铺装，两侧采用钢筋混凝土花板栏杆。车行道桥面沿桥梁中心线向两侧各设1.5%双向横坡。

该桥上部结构由4榀钢筋混凝土刚架拱片、横隔梁、微弯板组成，所有构件均采用工厂预制，现场分段吊装。主拱片尺寸为35 cm×80 cm（拱脚）、35 cm×70 cm（拱顶），横隔梁尺寸为15 cm×50 cm，两主拱片间设15道横隔梁；微弯板厚度为6 cm。下部结构采用尺寸为700 cm×590 cm和高度为180 cm的混凝土承台，下设直径为100 cm、长为1900 cm的混凝土灌注桩。该桥主拱片、横隔梁、微弯板、桥面铺装层均采用30＃混凝土，人行道板、缘石、栏杆、灌注桩采用25＃混凝土，承台及台帽采用20＃混凝土。设计荷载为汽车-20级、挂车-100。

塘屿大桥桥梁实景图如图1所示，桥梁结构布置示意图如图2所示。

图1 塘屿大桥实景图

图2 塘屿大桥结构布置示意图／cm

经现场检测，桥梁的主要病害及缺陷有：桥梁整体竖向刚度不足、微弯板严重开裂、铺装层及栏杆严重破损等。

2 静载试验

2.1 桥梁结构的有限元模型分析

根据桥梁的图纸资料及现场检查检测数据，采用桥梁博士软件进行刚架拱片的有限元计算分析，有限元模型如图3所示。

通过计算设计荷载作用下各主要控制截面的挠度和内力影响线，利用荷载等效原则确定测试断面、试验荷载以及试验加载程序。

2.2 试验设计

根据刚架拱桥的受力特点及相关规范进行荷载试验设计［14-18］，试验的测试控制截面及测点布设图如图4所示。

2.3 试验荷载确定

试验控制截面J1和 J2的加载载位及加载现场图如图5所示。

按照荷载等效原则，采用影响线加载的方式确定试验荷载。经过计算，采用二辆总重为244.4 kN的三轴汽车进行加载，可满足规范关于荷载效率为0.95～1.05的要求［14］，试验的荷载效率计算见表1。试验时，采用5级加载机制：0→20%→40%→60%→80%→100%。每一级加载采用车辆中轴在桥跨上的位置控制。

表1 荷载试验效率

2.4 试验结果与分析

2.4.1 混凝土应力及其校验系数

实测 J1和 J2截面混凝土应力及其校验系数结果见表2、3，其中，混凝土应力以受压为正，受拉为负；混凝土应力按 Ec=3.0×104MPa计算［17］。

图3 塘屿大桥的有限元模型图

图4 静载测试断面及测点布置图／cm

表2 J1截面混凝土应力测试结果及其校验系数

图5 静载加载载位示意图／cm

表3 J2截面混凝土应力测试结果及其校验系数

表2、3的结果表明，刚架拱片的强度满足设计荷载的使用要求，其相对残余应力，J1截面为-14.9%～20%，J2截面为-5.6%～16.7%，满足规范不超过 20%的规定［14］；实测的应力校验系数J1截面为 0.23～0.82，平均值为0.53，J2截面为0.49～0.75，平均值为0.64，均满足规范关于应力校验系数不宜超过1.0的规定［14］。

2.4.2 主拱梁底钢筋应力

J1和J2截面刚架主拱拱底的钢筋应力实测结果见表4、5，其中，钢筋应力以受拉为正，受压为负；钢筋应力按Es=2.1×105MPa［17］计算。

表4 J1截面主拱拱底钢筋应力测试结果及其校验系数

表5 J2截面主拱拱底钢筋应力测试结果及其校验系数

表4、5的结果表明，刚架拱片的钢筋应力满足设计荷载的使用要求，其相对残余应力为 J1截面为0%～6.7%，J2截面为0% ～6.9%，满足规范不超过 20%的规定［14］；实测的应力校验系数 J1截面为

0.04 ～0.12，J2截面为 0.04～0.11，均满足规范关于应力校验系数不宜超过1.0的规定［14］。

2.4.3 拱片竖向变形测试结果

实测控制截面的竖向变形结果见表6、7。

表6 J1截面竖向变形实测结果和校验系数

表7 J2截面竖向变形实测结果和校验系数

表6、7的结果表明，刚架拱片的竖向刚度不能满足设计荷载的使用要求，实测 J1截面的最大相对残余变位为25%，超过规范规定限值 20%［14］；实测挠度校验系数，J1截面为 1.03～1.24，J2截面为0.72～1.30，不满足规范关于变形校验系数不宜超过 1.0的规定［14］。

2.4.4 静载试验中的裂缝观测

在静载试验过程中，对主拱和微弯板的裂缝进行监测，发现主拱片未出现裂缝，微弯板的横向裂缝宽度明显增大，其裂缝扩展度为13%～27%。

3 动载试验

表8 结构自振特性测试结果

表8的结果表明，实测桥梁的一阶自振频率小于理论计算值，桥梁结构的实测与理论刚度比为0.35，桥梁的实际竖向刚度比理论刚度小，且桥梁自振属于小阻尼振动。

3.2 动力响应测试

采用单车（三轴重车）按10、20、30和40 km／h进行跑车试验的动应变测试结果见表9，通过对动应变的时程曲线分析计算所得的应变增大系数k见表 10。应变增大系数超过了规范限值 0.10［18］，汽车荷载的冲击效应偏大。

动载试验项目包括桥梁自振特性测试和动力性能测试。自振特性测试时，在 J1和J2截面的桥面上布设加速度拾振器，封闭交通，测试桥梁结构在空载状态下由风荷载、地脉动等自然随机激励引起的微幅振动响应。动力性能测试时，利用一辆三轴重车居中匀速驶过桥面，测试3＃拱片和4＃拱片的钢筋动应变时程曲线，设计时速分为四级：10、20、30和40 km／h。

3.1 自振特性测试

对空载状态的桥梁自振脉动信号进行频谱分析，识别其固有频率，结果见表8。

表9 结构动应变测试结果

表10 结构应变增大系数 k

表9和表10的结果表明：实测桥梁冲击系数为0.15～0.35，大于规范限值 0.10，桥梁在车辆荷载作用下的竖向冲击效应偏大［18］。

4 结论

通过上述研究可知：

（1）荷载效率为0.96～1.00，满足规范荷载效率为0.95～1.05的规定；刚架拱片控制测试截面的混凝土应力校验系数为0.23～0.82，未超过规范规定值1.0，相对残余不超过规范的规定限值20%；钢筋应力校验系数为0.04～0.12，相对残余不超过规范限值20%，桥梁的结构强度整体能够满足原设计荷载的使用要求；

（2）刚架拱片控制测试截面的竖向变形校验系数最大值达 1.30，平均值为 1.10，超过规范限值1.0，且实测变形的相对残余超过规范限值 20%，桥梁的竖向刚度不足；

（3）实测桥梁自振频率为3.91 Hz，小于理论计算的5.38 Hz，桥梁的结构刚度比为0.35，其实际的竖向刚度小于理论刚度；实测桥梁的冲击系数为0.35，大于规范限值0.10，结构的冲击效应偏大，偏于不安全。

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（学科责编：吴芹）

Study on the load tests of TangYu reinforced concrete rigid frame arch bridge

Luo Ziwen1，2，Luo Chengbin1，2
（1.Shanghai Branch of China Building Research Academy，Shanghai 200023，China；2.Shanghai Advanced Technology of Building Construction Co.，Ltd.，Shanghai 200023，China）

Load tests，including static and dynamic tests，are the most direct and effective method，which can be used to identify and evaluate the working performance and actual load-bearing capacity of bridges，and to provide basic data for the bridge maintenance and reinforcement.Taking Tangyu reinforced concrete rigid frame arch bridge as engineering background，the paper studies the actual response of the bridge（such as strain，deformation，frequency and amplitude，etc.），briefly introduces the testing process，and assesses the test results，the working performance and carrying capacity of the bridge.Test results show that the carrying capacity of the bridge complied with the design requirement，with the response ratio of test load to design load was 0.96～1.00 and the concrete and steel verification coefficient was 0.23～0.82，0.01～0.12，respectively，which does not exceed the specification limit，but the vertical stiffness of the bridge is inadequate and its impact effect is relatively large，with testing deformation verification coefficient，measured vibration frequency and impact factor were 1.08（maximum of 1.30），3.91Hz and 0.35，respectively，which not meeting the standard limit value or theoretical value requirements.

reinforced concrete rigid frame arch bridge；load tests；carrying capacity

TG333.17

A

1673-7644（2015）03-0216-08

2014-06-20

罗子文（1980-），男（土家族），高级工程师，硕士，主要从事桥梁及建筑结构检测与加固等方面的研究.E-mail：raul_forever＠126.com.