空腹式石拱桥荷载试验研究与应用

何迪

重庆建设工程质量监督检测中心有限公司 重庆 401336

1 工程概况

该桥建于20世纪90年代，G319线在武隆县城的过境桥梁。桥梁上部结构为净跨径1×75.0m空腹式圬工拱桥，净矢跨比为1/6，拱圈厚度1.4m，腹拱式拱上结构。荷载标准为汽车-20级，挂车-100。桥梁横向布置为2×8.0m（石砌引拱）+75.0m（主跨石砌板拱）+2×8.0m（石砌引拱）。桥面全宽13.5m，横向布置为2.25m（人行道+栏杆）+9.0m（车行道）+2.25m（人行道+栏杆），桥面横坡为1.5%。桥梁下部结构为重力式墩台，基础为扩大基础[1]。

2 结构内力计算

2.1 有限元建模分析

2.1.1 材料参数。主拱圈及腹拱圈、横墙材料采用12.5号砂浆80号粗料石。材料特性通过自定义方式输入，容重r=25kN/m3；弹性模量E=11.6×103Mpa；二期荷载32.0kN/m2。

2.1.2 计算模型建立。在模型建立过程中，需要根据结构的截面特性、材料、质量、刚度以及边界约束条件，把握结构的整体特性，保证计算结果的准确。采用MIDAS/Civil 2019对该桥主拱圈进行有限元模拟。全桥共划分161个节点，143个单元，计算模型如图1所示。

图1 空间有限元仿真模型

2.1.3 活荷载采用“汽车-20级”，按《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61-2005）第5.1.3条规定，活荷载计算按全拱圈结构宽建立计算模型，不考虑活荷载的横向分布，将活载均匀分布于拱圈全宽。

3 静载试验

3.1 静载试验内容及加载方式

该桥的控制截面选取拱顶最大正弯矩K 1（距拱脚37.5m），拱脚最大负弯矩K2（距拱脚2.5m）。

静载试验采用300kN载重汽车加载，根据《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）规定，试验各工况下所需加载车辆的数量，将根据设计标准活荷载产生的某工况下的最不利效应值按下式所定原则等效换算而得。

式中：η为静力试验荷载效率；Sstate为试验荷载作用下某工况最大计算效应值；S为设计标准活荷载不计冲击作用时产生的某试验工况的最不利计算效应值；按规范取用的冲击系数值[2]。

该桥设计荷载等级为“汽车-20级”，试验荷载采用内力等效的原则计算，使试验荷载效率满足上述规定，具体布置按照各截面在最不利荷载作用下的有限元静力分析结果确定。

采用4台三轴重车进行等效均布荷载，计算结果见表1，测点布置如图2所示。

表1 设计弯矩效应和试验荷载效应

图2 应力及挠度测点布置图（单位：cm）

挠度测点沿纵桥向布置于主拱圈L/2，应力测点沿纵桥向布置于主拱圈L/2、拱脚截面。

3.2 应力结果测试与分析

在各试验工况作用下K1、K2试验截面实测应力结构校验系数分别为0.42～0.45、0.48～0.55，试验荷载作用下残余应力率均在20%以内，表明桥跨结构的实际强度在现有状态下满足设计要求，说明结构处于弹性工作状态[3]。各控制截面在不同工况下应力实测值与理论计算值比较见表2。

表2 试验截面应力数据及校验系数

3.3 挠度结果测试与分析

在各试验工况作用下K1试验截面实测挠度结构校验系数为0.50～0.58，试验荷载作用下残余变形率均在20%以内。表明桥跨结构的实际刚度在现有状态下满足设计要求，说明结构处于弹性工作状态[4]。各控制截面在不同工况下应力实测值与理论计算值比较见表3。

表3 试验截面挠度数据及校验系数

4 动载试验

4.1 动力特性

动力特性试验采用环境随机激振法（脉动法），是指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，通过测定桥梁由风荷载、地脉动、水流等随机激励引起的微幅振动来识别结构自振特性参数的方法[5]。自振特性实测结果见表4。

表4 结构自振频率实测值与阻尼比

4.2 动力响应

动力响应试验分为行车激振和刹车激振，试验时采用一辆300kN加载车分别以10V、20V和30km/h几种不同速度在试验桥跨正常行驶与指定位置刹车，测试动态应变，用以计算试验冲击系数[6]。

在不同车速情况下行车试验及刹车试验冲击系数见表5。

表5 K1截面下冲击系数（1+μ）

从试验数据分析K1截面行车试验冲击系数最大值为1.03，刹车试验冲击系数最大值为1.04，均小于规范计算值（f＜1.5Hz，规范计算冲击系数值1+μ=1.05），说明结构在设计荷载的正常行驶状态下不会产生过大冲击[7]。

5 结束语

静力荷载作用下，各工况作用下实测挠度和应力均小于理论计算值，在正常范围之内，卸载后的相对残余均小于20%，表明受检桥跨处于弹性工作状态，试验完成后，经观察各控制截面均未发现新增裂缝。

动力荷载作用下，现场实测频率大于理论计算频率，可认为结构实际刚度大于理论刚度；实测阻尼比在正常范围内，实测竖向一阶振型与计算一阶振型吻合；行车及刹车试验，实测冲击系数均小于规范计算值，表明行车性能良好。

综上所述，桥跨结构现阶段工作状态满足设计荷载等级的要求，结构实际刚度大于理论刚度，结构在设计荷载的正常行驶状态下不会产生过大冲击。

本次通过荷载试验，掌握了该桥结构现状及受力情况，为今后桥梁的运营、养护、管理及加固维修提供技术依据。