基于荷载试验的某空腹式双曲拱桥承载能力分析

■黄雪钦

(福建福大建设工程有限公司，福州 350004)

基于荷载试验的某空腹式双曲拱桥承载能力分析

■黄雪钦

(福建福大建设工程有限公司，福州 350004)

本文针对某空腹式双曲拱桥主拱圈和横向联系裂缝等众多病害，采用大型有限元分析软件，建立双曲拱桥的空间有限元模型进行静力和动力分析，通过对比分析实测值与理论计算值来评价该桥的受力性能和承载能力状况，为将来的旧桥加固与修复提供依据。

空腹式 双曲拱桥 荷载试验 承载能力

1 概述

双曲拱桥是将主拱圈以“化整为零”的方法按先后顺序进行施工，再以“集零为整”的方式组合成承重的整体结构，它充分发挥了预制装配的优点，可以不需拱架施工，节省木料，加快施工进度，而所耗用的工料又不多，因此在我国公路桥梁建设中得到了广泛的应用与推广。但因主拱圈分期形成，其呈现出组合结构的受力特征，故整体性较弱，再加上超载等其他原因，目前大多数双曲拱桥均出现了不同程度的损伤。因此，对受损双曲拱桥的承载能力进行评估，对确保桥梁的安全运行具有重要意义。本文的研究对象某多跨连续空腹式双曲拱桥 (图1)，全长288.37m，设计桥型为7孔等跨连续双曲拱，单孔净跨径为35m，净矢高为7m，矢跨比1/5，采用悬链线结构形式，拱轴系数m=4.324。桥面布置为净5m(行车道)+2×1.0m(人行道)，主拱圈厚度为1.00m，采用250号混凝土。拱上建筑由混凝土填料、横墙和腹拱圈组成，腹拱圈为圆弧拱，直径为2.5m，腹拱圈厚度为0.3m。桥台为浆砌块石U型台。原设计荷载：汽-13级、拖-60。洪水设计或然率为100年一遇。为了解桥跨主体结构在荷载作用下的实际受力状态，评价结构承载能力，对该桥进行了试验检测。

2 外观病害情况

利用桥检车对该桥现有桥面系、上部结构和下部结构等部位进行外观检查，并对墩台水下部分进行了水下探摸。具体情况如下：

(1）桥面系：全桥栏杆有3处破损，最大面积为0.12m×0.10m，1处栏杆断裂，栏杆接头大部分松动，砼老化；人行道板出现6处破损，最大面积为0.30m×0.50m。

(2）上部结构：桥面板有5处破损，最大面积5.00m×2.50m，并出现 14条纵向裂缝，缝宽 1.00～2.00mm，缝长2.00～6.00m。主拱圈微弯板共出现21条纵向裂缝，缝宽0.10～0.20mm，缝长 0.50～2.00m；全桥横系梁锚头螺栓均有不同程度生锈；横系梁共有11处掉块露筋，最大面积0.10m×0.50m。拱肋底面共出现5条横向裂缝，缝宽0.08～0.10mm，缝长0.20～0.30m；拱肋共出现277条竖向裂缝，缝宽 0.08～0.20mm，缝长 0.10～0.75m，其中有 159条竖向裂缝位于侧面，有87条竖向裂缝由侧面延伸至底面0.05～0.25m，有31条竖向裂缝由侧面贯通至底部。拱肋底面出现1处掉块露筋，面积0.10m×0.35m。

(3）上部结构：1～6号墩基础四周河床有不同程度冲刷，冲刷深度0.90～4.00m；1～6号墩水面下的墩身及基础4个侧面表体均长有一层青苔，厚度约0.5cm。

3 荷载试验结果及分析

3.1 静载试验

3.1.1 静载试验工况及检验对象

图1 某空腹式双曲拱桥总体布置图(单位：m)

根据该桥施工设计图纸和外观检查结果，应用MIDAS计算软件进行建模计算。拱桥建模主要关注的是拱上建筑的联合作用、拱上填料刚度、边腹拱支撑方式、腹拱刚度及结构受损 (主要是拱上建筑受损和主拱圈受损)对主拱圈受力的影响。建模过程进行了如下处理和假设：

(1）拱圈线形以及材质状态采用现场实测值，提高了模拟的准确性；

(2）根据该拱桥的受力特点，将拱肋与拱波形成的组合截面作为主拱圈的截面，相邻拱肋间采用铰接处理；

(3）针对各构件裂缝、掉块露筋等损伤病害，根据材料风化、碳化及物理化学损伤，对各构件采用截面尺寸折减，折减系数取0.95；

(4）将拱上建筑与拱上填料作为集中或分布荷载作用在主拱圈上。拱上填料按实际材料强度，两端按照铰接处理，不传递弯矩。按桥梁设计规范对拱桥施加活荷载，对桥梁进行力学性能计算。

桥梁模型见图2。以设计标准活载产生的该试验项目的最不利效应值等效换算，确定所需的试验荷载。然后根据桥跨结构受力特点，确定各跨试验工况，具体见表1，各跨主要测试截面见图3。该桥的静载试验荷载效率η满足《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01-2015)(后简称《规程》)的规定要求。

3.1.2 测点布置

(1）应变测点布置：在各控制截面拱肋底面粘贴混凝土应变片进行测量，各控制截面应变测点布置见图4。

(2）挠度测点布置：在各控制截面拱肋对应的桥面位置架设塔尺进行测量，各控制截面挠度测点布置见图5。

(3）水平位移观测：在7#台起拱线处上下游分别安装顺桥向的位移计，观测桥台的顺桥向水平位移。

(4）裂缝观测：在第2跨拱顶截面拱肋横向裂缝位置跨裂缝粘贴应变片进行测量。

图2 某空腹式双曲拱桥模型图

图3 试验测试截面示意图(单位：m)

表1 试验测试内容

图4 各控制截面应变测点布置图

图5 各控制截面挠度测点布置图

3.1.3 静载试验结果及分析

在试验加载工况作用下，各控制截面的实测挠度及其与理论计算值的比较如表2所示，实测应变及其与理论计算值的比较如表3所示。

经过桥梁静载试验，该桥第2跨拱顶截面挠度校验系数为0.53～0.54，应变校验系数为0.44～0.62；第2跨L/4和3L/4截面挠度绝对值之和校验系数为0.69～0.78，L/4截面应变校验系数为0.59～0.72；第7跨拱顶截面挠度校验系数为 0.50～0.52，应变校验系数为 0.48～0.78；第 7跨拱脚截面拱肋底面应变校验系数为0.42～0.54；各截面挠度校验系数均处于《规程》规定的常值范围(0.50～1.00)，应变校验系数均低于或处于《规程》规定的常值范围(0.50～0.90)；各截面相对残余挠度和相对残余应变均小于 《规程》规定值20%。

在工况5、6作用下，第7跨7#台没有发生水平位移。

在加载工况1、2作用下，第2跨拱顶截面各拱肋横向裂缝最大开展宽度为0.005mm，卸载后均恢复。

表2 各控制截面挠度分析表

表3各控制截面应变分析表(每个工况仅列出最大η值的拱肋)

3.2 动载试验

3.2.1 自振特性试验工况

在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动等随机荷载激振而引起的桥跨结构微小振动响应，测试桥跨结构自振频率和阻尼比，以分析桥跨结构自振特性。

3.2.2 自振特性结果及分析

在各跨八分点位置桥面上放置脉动测点传感器，实测的信号经FFT分析、模态分析，得到该双曲拱桥的竖向1阶自振频率及振型。自振特性试验表明，该桥实测竖向1阶自振频率为2.357Hz，大于理论计算值2.092Hz，实测振型与理论计算振型基本吻合。实测与计算竖向1阶自振频率及振型对比图见图6。

图6 实测与计算竖向1阶自振频率及振型图对比

3.2.3 无障碍行车试验工况

采用1辆载重汽车(单车总重约40t)分别以10km/h、20km/h和30km/h不同的车速通过桥跨结构，测试第7跨跨中截面的冲击系数。

3.2.4 无障碍行车试验结果及分析

在不同车速(以 10km/h、20km/h和 30km/h)情况下，测得第7跨跨中截面跑车试验挠度时程曲线如图7所示。

图7 不同车速情况下跑车试验挠度时程曲线

由桥梁行车试验可知，在单车(重约40t)不同行车速度10km/h、20km/h和30km/h作用下，实测的跑车冲击系数分别为1.02、1.02和1.07，按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)中冲击系数μ的计算公式计算：当1.5Hz≤f≤14 Hz 时， 则 1+μ=1+(0.1716lnf-0.0157)=1.13(这里f取桥面竖向一阶实测频率)，可知实测冲击系数小于规范值。

4 结论

通过对该双曲拱桥的静动载试验结果和各项理论值进行比较和分析，得到荷载试验结论如下：

(1）桥梁静载试验表明：该桥第2跨拱顶截面挠度校验系数为 0.53～0.54，应变校验系数为 0.44～0.62；第 2跨L/4和3L/4截面挠度绝对值之和校验系数为0.69～0.78，L/4截面应变校验系数为0.59～0.72；第7跨拱顶截面挠度校验系数为0.50～0.52，应变校验系数为0.48～0.78；第7跨拱脚截面拱肋底面应变校验系数为0.42～0.54；各截面挠度校验系数均处于 《规程》规定的常值范围 (0.50～1.00)，应变校验系数均低于或处于《规程》规定的常值范围(0.50～0.90)；各截面相对残余挠度和相对残余应变均小于《公路旧桥承载能力鉴定方法》规定值20%。

在工况5、6作用下，第7跨7#台没有发生水平位移。

在加载工况1、2作用下，第2跨拱顶截面各拱肋横向裂缝最大开展宽度为0.005mm，卸载后均恢复。

(2）桥梁动载试验表明：该桥实测竖向1阶自振频率为2.357Hz，大于理论计算值2.092Hz，实测振型与理论计算振型基本吻合；在单车(重约40t)不同行车速度10km/h、20km/h和30km/h作用下，实测的跑车冲击系数分别为1.02、1.02和1.07，小于理论计算值1.13，满足规范要求。

(3）综上所述，该空腹式双曲拱桥结构工作性能状况良好，承载能力能够满足汽-15、挂-80荷载等级要求。

[1]王敏强，王乐，张桓.空腹式双曲拱桥有限元分析与试验研究.武汉大学学报：工学报，2005，38(5)：88-93.

[2]戎泽生，邵永健.现役双曲拱桥上部结构内力分析与试验研究.福建建筑，2009(4).

[3]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[4]JTG/T J21-01-2015，公路桥梁荷载试验规程[S].

[5]JTG/T J21-2011，公路桥梁承载能力检测评定规程[S].