基于荷载试验的某石拱桥承载能力评定

■侯冠彬

（福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州 350004）

1 工程概况

某石拱桥，上部结构：主桥采用3 m×40 m 及两侧引桥采用2 m×8 m 小石子混凝土砌片石板拱，主拱圈矢高6.67 m，矢跨比1/6，拱圈厚0.9 m。下部结构采用片石混凝土桥台，矩形扩大基础。 桥面布置：0.25 m（栏杆）+0.8 m（人行道）+7.0 m（机动车道）+0.8 m（人行道）+0.25 m（栏杆）=9.1 m。 荷载等级：汽车-15。 该桥立面、横断面布置图见图1、图2。

图1 该桥立面布置图

图2 该桥横断面布置图

通过对该桥进行定期检测发现，桥面水泥混凝土铺装横向裂缝、水泥混凝土铺装破损、水泥混凝土接缝挤压拱起。 主拱圈、拱上侧墙及腹拱圈渗水、拱上侧墙与主拱圈脱开、腹拱圈纵向开裂。 桥台侧墙开裂、墩台基础冲刷、墩身渗水等病害。 对全桥进行技术状况评定为4 类， 即主要构件有大的缺损，严重影响桥梁使用功能；或影响承载能力，不能保证正常使用[1]。

由于该路段交通量的不断增长，原桥设计荷载等级为汽车-15， 为了保证既有桥梁的安全运营和尽可能延长其安全使用年限，本次对该桥进行检测评估，是否满足现行公路-Ⅱ级的荷载等级要求。

2 静力荷载试验

2.1 静载试验工况及试验对象

根据设计图纸，采用Midas/Civil 有限元程序建立空间模型对本桥进行分析计算，计算模型见图3。计算模型：现状桥按公路-II 级车道荷载计算，车道数为2。对桥梁进行内力计算，并通过内力影响线布置荷载工况， 使现场加载的荷载效率介于0.95～1.05，即符合桥梁试验规范的要求[2]。 桥梁采用2 部36 t 左右重型卡车进行加载。 各工况具体情况见表1。

图3 桥梁迈达斯有限元计算模型

表1 桥梁各工况设计值、试验理论值和效率系数

2.2 测试截面及测点布置

选取主桥第4 跨、引桥第2 跨及第7 跨拱顶为挠度测试截面， 在拱顶底均布安装3 个数显千分表，并在测试截面附近，观测试验荷载作用下有无新增裂缝并观测其发展趋势。 车辆荷载车辆布置按有限元模型计算分析得到各测试断面的内力影响线，将实际加载车辆轴重、轴距等参数进行布载在最不利位置。 挠度测点布置图见图4、图5。

图4 测试截面布置图

图5 A、B 及C 测试截面挠度测点横断面布置图

2.3 静载试验数据分析结果

对该桥测试A、B、C 截面的挠度进行了数据测试和采集，该桥工况1～工况9 的实测数据及分析见表2。

由表2 可知，试验荷载满载时，挠度校验系数0.20～0.71 及相对残余变形位于0.30%～19.87%，满足规程[3]的要求。在工况1～工况9 的作用下，主拱圈控制截面未出现肉眼可见裂缝。 综上结果可得：主桥第4 跨、引桥第2 跨及第7 跨整体刚度大于理论刚度，在公路-II 级活载等效荷载作用下，桥梁处于弹性状态。

表2 各工况作用下挠度实测值及理论值

3 动力荷载试验

3.1 测试项目及测点布置

3.1.1 环境振动试验

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，通过高灵敏度拾振器测定桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微幅振动响应，测得结构的自振频率、阻尼比等动力学特征。 测点应布置在桥梁结构振型的峰、谷点，进行多点多方向的测量。

3.1.2 无障碍行车试验

无障碍行车的测试截面一般选择在活载作用下结构内力最大的位置，根据本桥结构的弯矩包络图特点，车辆激励试验观测断面布置在主跨第4 跨拱顶最大正弯矩截面位置。 具体工况见表3。

表3 车辆跑车试验加载工况

3.2 动力试验数据分析结果

采用大型通用有限元程序Midas/Civil 对本桥进行了动力特性分析。 本次桥跨结构实测分析结果见表4、表5、图6。

图6 桥梁前竖向三阶模态

表4 自振频率和阻尼比测试结果

表5 不同车速激振下实测冲击系数与理论冲击系数

由表4、表5、图6，可得到如下结论：该桥竖向一阶自振频率为4.878 Hz，大于有限元分析得到的竖向一阶自振频率2.089 Hz，表明桥梁实际成桥刚度大于理论刚度，说明桥梁的整体刚度满足设计要求。 该桥实测的冲击系数最大值为1.111，小于桥梁理论冲击系数为1.114， 桥梁实测冲击系数换算值均小于理论值，说明桥面平整度较好。

4 承载能力检算

根据现场外观质量检测、 静动载试验结果，对该桥进行结构检算，分析评定现状桥梁结构是否满足公路-II 级荷载使用要求。

4.1 检算要点

桥梁承载能力检算主要是对桥梁结构主要承重构件承载能力极限状态和正常使用极限状态下的有关指标进行验算。结构承载能力评定时按JTG D60-2015 《公路桥涵设计通用规范》 及JTG D61-2005《公路圬工桥涵设计规范》进行检算，活载按均匀分布于拱圈全宽，温度作用按升温17℃降温17℃计算。 当满足以下条件时，即认为承载能力满足要求：（1）承载能力极限状态下，控制截面的抗力效应大于检算荷载作用下最不利内力组合值；（2）正常使用极限状态下，结构变形满足要求的容许值。

4.2 检算参数选取

承载力在评定的时侯， 需综合考虑检算系数Z2、截面折减系数ξc，对其结构抵抗力荷载效应进行修正，并通过综合比较，从而判定出桥梁结构的承载力状况。

4.2.1 承载能力检算系数（Z2）

静载试验结果，取主要测点挠度校验系数确定承载能力检算系数Z2，其中，主桥挠度校验系数最大0.22、引桥挠度校验系数最大0.71。 根据规程[3]计算可知，主桥承载能力检算系数Z2=1.30，引桥承载能力检算系数Z2=1.095。

4.2.2 截面折减系数（ξc）

根据现场检查情况分别对以上各检测指标给出评定标度值，计算得到构件截面损伤的综合评定值R 见表6～7。

表6 主桥桥梁桥截面损失评定

根据截面损伤的综合评定值R，得出主桥截面折减系数ξc=1.00。

表7 引桥桥梁桥截面损失评定

根据截面损伤的综合评定值R，得出引桥截面折减系数ξc=0.984。

4.3 承载能力检算

考虑公路-Ⅱ级中基本组合： 恒载+活载+整体温度，所计算主桥及引桥主拱圈在承载能力极限状态下的荷载效应计算结果见表8～10。

表8 主桥主拱圈在承载能力极限状态下截面承载能力验算

表9 引桥主拱圈在承载能力极限状态下截面承载能力验算

表10 承载能力检算系数评定标度

由表8～10 可知， 主桥在现状下控制截面的抗力在考虑检算系数和折减系数后，抗弯承载能力均满足公路-II 级荷载使用要求。 引桥在现状下控制截面的抗力在考虑检算系数和折减系数后，抗弯承载能力不满足公路-II 级荷载使用要求。

5 结论

本研究通过对现状桥梁进行现场检测及安全评估，得出以下几点结论：（1）桥梁总体技术状况评定为4 类，即有大的缺损，严重影响桥梁使用功能，或影响桥梁承载能力，不能保证正常使用。 （2）静、动载试验结果表明：主桥第4 跨、引桥第2 跨及第7跨整体刚度大于理论刚度，在公路-II 级活载等效荷载作用下，桥梁处于弹性状态。 桥梁实测竖向一阶基频大于理论竖向一阶计算值，桥梁实际刚度大于理论刚度。 （3）承载能力检算结果表明：在现状下控制截面的抗力在考虑检算系数和折减系数后，该桥抗弯承载能力不满足公路-II 级荷载使用要求。 （4）基于安全考虑， 建议对该桥进行提升加固改造，严禁超载超限，加强对桥跨结构各受力控制截面等重要部件的定期监测和养护管理。