某拱桥静力荷载试验与结构评定

2021-04-30徐华鑫

甘肃科技 2021年5期

徐华鑫

（1.甘肃路桥建设集团有限公司，甘肃兰州 730000；2.公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心，甘肃兰州 730030）

1 概述

桥梁的承载力一般通过测试桥跨结构的应力和挠度来反应，桥梁的承载力指标是指在最不利条件下结构的综合反应，桥跨结构最不利的条件是荷载试验最关键部分。因此，测试关键结构的变形是整个桥梁结构的关键[1]。

桥梁的承载力指标主要包括强度，刚度，稳定性，动态响应和动态特性,不同的类型的桥梁结构，荷载试验测试的承载力指标有所不同[2]。因此，在筹备荷载试验方案时，应通过分析反映载荷试验内容，以反映结构承载力指标。因此，荷载试验最终的目的就是了解桥梁结构的具体的受力情况，确保桥梁在运营过程中安全，保障人身安全和财产安全[3]。

2 工程概况

桥梁位于国道212 线上，桥梁中心桩号K077+621.00，桥梁平面位于直线线路上；桥梁工程全长67.4m，桥跨结构采用3m×15m 的圬工拱，桥梁工程建造于1972 年。桥面铺装为沥青混凝土。桥跨主拱圈及腹拱圈均采用预制混凝土块砌筑，主拱圈宽度8.0m，厚度0.7m，矢高2.2m。桥梁设计荷载等级为汽-20，挂-100。桥梁工程全景如图1 所示。

图1 桥梁全景图

3 静载试验

3.1 检测截面及测点布置

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》要求，依拱桥的受力性能[4]，最终确定兰州侧孔跨跨中（CC 截面）和距拱脚50cm 处截面（A-A 截面）作为检测控制截面，以此来观察桥梁在正常情况下，控制截面处的结构受力与变形行为。控制截面如图2 所示。按照检测项目及检测任务要求，根据结构构造特点和理论计算结果，测点布置如下：

静态应变测点在A-A 截面自中线向两侧每间隔1.6m 布置1 个应变测点，共计5 个应变测点，应变测点编号以面向兰州方向自左向右编号，依次为A-1～A-5。

图2 控制截面示意图(单位：m)

静态挠度测点在B-B 截面自中线向两侧每间隔1.6m 布置一个位移测点，共计5 个位移测点，位移测点编号以面向兰州方向自左向右编号，依次AW-1～AW-5。测点布置详如图3 所示。

图3 A-A 截面测点布置图和C-C 截面测点布置图

对荷载试验桥梁，根据相关要求计算出各检测截面的最大设计内力值，以此来观察各检测截面在最不利设计荷载作用下的不同变形[6]，根据静力等效原则，根据试验荷载类型的实际情况，通过计算来确认具体的试验荷载总值以及加载方式[7]。

3.2 试验工况与荷载效率

1）确定试验荷载的原则。一般情况下，试验桥梁的结构现状、现有的病害以及运营承载力和结构耐久力是通过静载荷试验方法来确认，以此来正确确认试验桥梁结构的安全性，桥梁运营能力。根据交通运输部公路科学研究所编制的《大跨度混凝土桥梁试验方法》，交通运输部公路局技术部和公路规划设计研究院的建议，通常使用基本荷载。根据现场的实际情况，从车辆载荷中选择桥梁的试验载荷。为了准确评估结构行为，静态试验载荷产生的结构效应与设计载荷的结构效应（静载荷试验效率ηq）之比应满足以下范围：

其中:ηq——静载试验效率（ηq=Sj/Ss）；

Sj——试验荷载作用下典型位移/内力计算值；

Ss——设计标准荷载作用下典型位移/内力计算值(应考虑空间作用与动力系数)。

2）试验荷载构成。桥梁荷载试验加载方式主要是采用载重汽车，荷载试验车辆的具体技术参数见表1。

表1 试验加载车辆参数清单

3）加载工况与试验荷载效率。通过不同加载方式四种工况进行荷载试验，根据试验荷载的等效并从提高试验测试工作的效率考虑，按下面四种加载方式进行桥梁荷载试验：

工况1—C-C 截面处的竖向挠度最不利纵向布载-左偏载；工况2—C-C 截面处的竖向挠度最不利纵向布载-右偏载；工况3—A-A 截面处的弯矩最不利纵向布载-左偏载；工况4—A-A 截面处的弯矩最不利纵向布载-右偏载。各工况车辆具体布置位置如图4～7 所示。

按照试验车辆具体的实际技术参数及加载布置方式，得出了荷载效率系数，结果见表2。

表2 主拱各截面设计最大效应和试验荷载效应

3.3 试验结果与分析

3.3.1 理论计算

根据试验桥梁结构的特点，采用杆系结构建立桥梁的平面分析模型，根据设计荷载来计算桥跨结构在最不利荷载作用下的纵向试验位置及在水平方向上最不利的位置。根据确定的纵向试验位置和横向位置后，利用试验桥梁的结构特点建立ANSYS有限元模型来计算监测点的理论位移和应力。根据桥梁的结构特征，实体元素用于理论分析。根据实际车轮位置和轴重将测试载荷施加到单元表面。理论分析和计算由ANSYS 完成。实体模型如图8 所示，有限元空间分析模型如图9 所示。