某双曲拱桥静载试验研究分析

李金奎，唐德金，房嘉铭

(1.大连大学 辽宁省复杂结构体系灾害预测与防治重点实验室， 辽宁 大连 116622；

2.重庆交通大学 土木建筑学院， 重庆 400074)



某双曲拱桥静载试验研究分析

李金奎1，唐德金1，房嘉铭2

(1.大连大学 辽宁省复杂结构体系灾害预测与防治重点实验室， 辽宁 大连 116622；

2.重庆交通大学 土木建筑学院， 重庆 400074)

摘要：随着各种灾害的日趋增加，现役桥梁遭到不同程度的破坏。为详细掌握桥梁病害状况，准确判断桥梁技术状况及实际承载能力，需要对现役桥梁进行静载实验。以山西某双曲拱桥为依托，对该双曲拱桥进行静载试验分析，通过计算及实验结果评价桥梁的使用性能。结果显示为：0#桥台的竖向位移及横向位移在各工况作用下均为0 mm，主梁挠度测点的校验系数在各工况都小于1,校验系数满足规范要求;桥梁结构虽然存在一定的损伤，但是其结构状态良好，满足基本运营要求。

关键词：研究分析；静载试验；校验系数；双曲拱桥

近年来我国交通运输行业发展较快，桥梁作为交通运输的重要组成部分，其重要性比较重大。现役桥梁建成后会受到各种破坏作用，其使用性能逐渐降低，而荷载试验是评价桥梁结构承载能力最有效、最直接的方法[1-4]。本文以山西某双曲拱桥梁为依托，通过计算和现场静载试验，确定上部结构在试验荷载作用下的性能，确定在试验过程中结构的变形趋势及应变变化规律，通过以上数据来分析测试桥梁是否能满足正常运营。

1工程概况

该桥是一座双曲拱桥，桥梁全长80 m，桥面宽度为11.5 m，桥宽布置为1.25 m(人行道+栏杆)+9 m(行车道)+1.25 m(人行道+栏杆)；该桥上部结构形式为双曲拱，纵向6条拱肋，横向设有4道横系梁及5道横隔板；桥面铺装采用沥青混凝土，无伸缩缝，两侧设有钢筋混凝土栏杆；下部结构采用重力式桥台，基础采用扩大基础。桥梁通车时间为1991年，设计荷载为汽-20级，挂-100级。

2荷载试验

通过荷载试验得到桥梁结构各控制断面在试验荷载作用下的应变和挠度；分析桥梁结构静力荷载作用下的工作性能；最后确定桥梁的运营情况，判断桥梁是否满足基本运营的要求[5-9]。

2.1试验荷载

根据桥梁的设计荷载，按汽车-20级荷载标准的设计荷载值计算荷载效应较大的荷载等级加载，检验桥跨结构是否满足目前的实际运营荷载等级要求。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》[10](JTG/T J21-2011)中的建议，桥梁荷载试验一般采用基本荷载。其中，静力试验荷载的效率系数的取值范围为：

0.95≤η≤1.05

(1)

(2)

式中：Ss为试验荷载作用下检测部位变位或力的计算值；s′为设计标准荷载作用下检测部位变位或力的计算值；μ为按规范取用的冲击系数。

为了保证试验的有效性，必须使测试截面的试验荷载的效率系数大于或等于0.95[11-14]。根据桥梁设计荷载等级，遵循等代荷载的方式对结构进行加载，并且确定最低限试验荷载。通过计算分析，本次静力荷载试验需加载车辆2辆，单车车货总重30 t，为保证试验的效果，2辆车采用同型号车辆[15-17]。

2.2试验内容

根据桥梁荷载试验目的，本次现场试验的主要内容包括主梁控制断面的静应变及其规律、主梁控制断面的静挠度及其规律。

2.3试验工况及加载方案

2.3.1试验工况

为了满足鉴定桥梁承载力的要求：荷载工况选择应反映桥梁设计的最不利受力状态。在试验前，应首先采用有限元法计算桥梁结构在标准荷载作用下的挠度、内力、应力。通过分析计算可得，双曲拱桥在设计荷载和运营荷载作用下最不利截面位置在拱顶截面、L/4截面、拱脚。根据荷载试验的要求使桥梁结构在最不利的情况下进行加载，而且保证试验的合理性和有效性，选择跨中、L/4截面、拱脚作为测试截面。

(1) 工况1：拱脚最大负弯矩加载；

(2) 工况2：L/4截面最大正弯矩加载；

(3) 工况3：L/2截面最大正弯矩加载。

2.3.2加载方案

(1) 加载车选择

本桥具有通行车辆密集，运营车辆载重量大等特点，同时为了保证荷载试验过程对车辆运营带来的影响最低，本次试验前对试验荷载进行估算，试验时选用2辆加载车辆。加载车辆的概况如表1所示。

表1　加载车辆概况表　单位：t

(2) 汽车加载布置

① 工况1：拱脚截面最大负弯矩加载

工况1加载车纵向布置图如图1所示。

图1工况1纵向加载示意图(单位：cm)

② 工况2：L/4截面最大正弯矩加载；

工况2加载车纵向布置图如图2所示。

图2工况2纵向加载示意图(单位：cm)

③ 工况3：L/2截面最大正弯矩加载；

工况3加载车纵向布置图如图3所示。

图3工况3纵向加载示意图(单位：cm)

(3) 试验工况中要求的荷载加载

加载车横向加载布置如图4所示。

图4加载车横向加载布置图(单位：cm)

2.4主要测试仪器

静态应变量测采用应变计和高速静态应变测试分析系统DH3815N数据采集系统。挠度量测采用邢台仪表厂生产位移传感器和高速静态应变测试分析系统DH3815N数据采集系统。

2.5测点布置

2.5.1挠度测点

(1) 跨中断面：每根肋底布设1个顶针式应变位移计测试拱肋竖向挠度，共计6个；

(2)L/4断面：每根肋底布设1个顶针式应变位移计测试拱肋竖向挠度，共计6个；

2.5.2应变测点

(1) 拱脚断面：每个肋底左右布设1个应变片，共计6个(见图5)；

(2)L/4断面：每个肋底左右布设1个应变片，共计6个(见图6)；

(3) 跨中断面：每个肋底左右布设2个应变片，共计12个(见图7)。

图5拱脚截面及0#桥台测点布置示意图

2.5.3位移测点

桥台：在0#桥台南侧布设顶针式应变位移计测试桥台的水平位移及竖向位移，共计2个。

图6　L/4截面测点布置示意图

图7L/2截面测点布置示意图

3结果分析

3.1应变

利用在各试验工况试验荷载加载效率最大情况下，各拱肋的应变测点的实测值，与荷载试验理论计算所得的理论值进行比较，可以得出校验系数，评价拱肋的受力特性。

在工况1：拱脚截面最大负弯矩加载下，相应应变计算、实测值及校验系数分别如表2、图8所示。

图8　工况1拱脚截面应变实测值与理论计算值比较

在该工况试验荷载作用下，各拱肋的荷载试验理论计算值在-59.9 με～74.3 με范围内,避免出现较大误差取两次实测值然后得到平均值，各拱肋实测值在14.58 με～35.94 με范围内。各拱肋测点的应变校验系数在0.20～0.60范围内变化，校验系数的平均值为0.39，均小于1。拱肋应变的实测值与理论值之间的协调变化规律基本一致。

3.2位移

在试验工况试验荷载加载效率最大情况下，利用主梁控制断面处挠度测点的实测值，与荷载试验理论计算所得的理论值进行比较，以此求得的挠度校验系数用来评价主梁的受力特性。

在工况1：拱脚截面最大负弯矩加载下相应拱脚位移实测值及校验系数分别如表3所示。

表3　工况1拱脚位移实测值

注：D1为桥台水平位移值，D2为桥台竖向位移值。

由上述试验数据可以看到在荷载作用下，桥台的竖向位移及横向位移均为0 mm，桥台及其基础稳定性好，桥台基础承载能力满足使用要求。

3.3挠度

在工况2：L/4截面最大正弯矩加载下，相应挠度计算、实测值及校验系数分别如表4、图9所示。

表4　工况2 L/4截面挠度计算、实测值及校验系数

图9工况2L/4截面挠度实测值与理论计算值比较

在试验荷载作用下，各拱肋荷载试验理论计算值在1.9 mm～2.5 mm范围内，实测值在-0.32 mm～-0.69 mm范围内。主梁挠度测点的校验系数在0.12～0.27范围内变化，校验系数的平均值分别在0.20，均小于1。实测值小于理论计算值，说明桥梁可以满足规范对挠度的要求。

在工况3：L/2截面最大正弯矩加载下，相应挠度计算、实测值及校验系数分别如表5、图10所示。

表5　工况3 L/2截面挠度计算、实测值及校验系数

图10工况3L/2截面挠度实测值与理论计算值比较

在试验荷载作用下，主梁荷载试验理论计算值在-2.2 mm～-2.9 mm范围内，实测值在-0.65 mm～-1.22 mm范围内。挠度测点的校验系数在0.30～0.45范围内变化，校验系数的平均值分别在0.37，均小于1。拱肋挠度的实测值与理论值之间的协调变化规律基本一致，说明桥梁满足规范及通行要求。

4结论

通过以上分析可以得到如下结论：

(1) 0#桥台的竖向位移值及横向位移值在各工况作用下均为0 mm，说明桥梁基础状态基本良好，满足正常运营要求。

(2) 在试验荷载作用下，主梁挠度测点的校验系数在各工况分别变化于0.12～0.51，校验系数的平均值分别在0.20～0.35，均小于1.00。

(3) 为了进一步说明主梁的挠度特征，将各梁跨中断面的挠度测点的实测值与理论值对比于图中，由此可以看出，总体上，主梁挠度的实测值与理论值之间变化规律基本一致。挠度测试结果显示了桥梁在试验荷载作用下处于弹性工作状态，其承载能力能够满足汽车-20级荷载要求。

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Analysis of the Static Load Test of a Double Arch Bridge

LI Jinkui1， TANG Dejin1， FANG Jiaming2(1.KeyLaboratoryforPrediction&ControlonComplicatedStructureSystemofLiaoningProvince,DalianUniversity,Dalian,Liaoning116622，China； 2.SchoolofTraffic&Transportation，ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074，China)

Abstract：With the increasing frequency of disasters, many bridges were recently destroyed more or less. It is essential to carry out the static load test to estimate the bridge diseases situation in detail. Taking the double arch bridge in Shanxi province as an example, calculation and analysis of onsite loading test were carried out. The results showed that the vertical displacement and horizontal displacement under various conditions about the 0#abutment was 0 mm. The calibration coefficient about the site of the girder deflection was less than 1 in every condition considered. This results also demonstrated that the calibration coefficient meet standard requirements. The experimental conclusion is that the bridge structure was safe although there were some damages and it can meet the requirements of basic traffic.

Keywords:static load test; calibration coefficient; double arch bridge

文章编号：1672—1144(2016)01—0060—05

中图分类号：U448.22+1

文献标识码：A

作者简介：李金奎(1972—)，男，辽宁大连人，博士，教授，主要从事桥梁与隧道工程的教学与研究工作。E-mail：jinkee@126.com

基金项目：国家杰出青年科学基金(51009015，51008047)；辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2012442)

收稿日期：2015-09-11修稿日期：2015-10-19

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.012