多跨圬工拱橋震后荷載試驗研究

刁 硯，黃 山

(西華大學,四川成都610039)

橋梁荷載試驗是對于新建橋梁和既有橋梁的實際工作狀態及承載能力最直接有效的檢驗辦法。荷載試驗分為靜載和動載兩種，靜載是將靜止的等效荷載(多用載重的車輛充當)作用于橋梁上的控制截面位置，同時對該截面的應變及撓度進行測試；而動載則是將移動的荷載作用于橋梁上以測試其在動荷載如車輛荷載通過時橋梁工作性能的方法[1,2]。

在試驗之前還需進行理論計算，以前期計算結果制定試驗方案并此作為現場試驗過程中的控制指標。同時還會將理論計算值與試驗值進行對比，以此判斷橋梁結構的實際工作狀態和承載能力[3]。

1 工程概況

雅安某多跨圬工拱橋(圖1)是一座7跨30 m，總長239.4 m，橋面全寬12 m的圬工拱橋，每跨拱圈凈跨為30 m，凈矢高為6 m，矢跨比為1/5，拱圈厚0.8 m。由于修建時間較長，且經過雅安7.0級地震影響，本橋已發生了一定程度的病害，為全面檢驗橋梁結構的可靠性以及是否滿足有關公路橋梁規范及設計要求[4、5]，進一步確定橋梁的承載能力和通行能力，為該橋下一步的維修和加固提供依據，該橋進行了動靜載相結合的橋梁荷載試驗。

圖1 7×30 m多跨圬工拱橋

2 靜載試驗方案

該橋的荷載試驗控制截面見圖2。拱腳截面、L/4截面、拱頂截面靜力加載試驗，測試主要內容包括：

(1)第二跨(加載跨)拱腳截面、L/4截面和L/2截面的應力測試；

(2)第二跨(加載跨)L/2、L/4截面的撓度測試和第一跨(相鄰跨)的L/2截面撓度測試。

圖2 測試截面布置示意

因橋面行車道寬度為8.5 m，故靜載試驗每個控制截面都包括正載和偏載兩種工況。

車輛加載位置和工況的確定原則及依據是：盡可能用最少的加載車輛使控制截面達到最大的試驗荷載效率，該橋確定的試驗加載截面及檢測項目見表1。

表1 試驗加載截面及測試項目

圖3 工況一、工況二(拱腳截面最大負彎矩)

圖4 工況三、工況四(L/4截面最大正彎矩)

圖5 工況五、工況六(跨中截面最大正彎矩)

圖6 試驗荷載橫橋向布置(單位：cm)

采用滿堂支架進行應變測點布置，應變測點沿縱橋向布置于加載跨主拱圈L/2截面、L/4截面、拱腳截面。測試斷面應變測點布置如圖8所示。

圖7 主拱圈測試斷面布置圖

撓度測點布置橋面上下游側，觀測結構豎向變位。測點布置見圖8所示：

(a)第二跨(加載跨)

(b)第一跨(相鄰跨)圖8 測試截面撓度測點布置示意

3 靜載試驗結果與分析

3.1 撓度測試結果及校驗系數

橋梁跨中截面在試驗荷載作用下撓度試驗值與計算值比較見表2，其中正值代表向下，負值代表向上，撓度測點編號見圖8，其中，7、8號測點為相鄰跨的跨中撓度測點，其代表了荷載加載時，相鄰跨所受到的連拱效應影響。因篇幅有限，此處僅列出工況五、工況六的情況。

從上表中數據可以看出，測試截面在工況五、工況六下跨中撓度校驗系數均小于1.0，表明其剛度滿足公路—II級荷載等級要求，同時，偏載效應較小，但相鄰拱跨之間有一定的連拱效應。

3.2 應力測試結果及校驗系數

在試驗荷載作用下，各控制截面在不同工況下的實測值與計算值比較見表3，因篇幅有限，此處僅列出跨中截面的情況，表中數據以受拉為正，受壓為負，單位均為MPa。

表3 跨中截面應力試驗值與計算值的比較

說明：其中/表示其絕對值過小，若計算則誤差較大，故不計入。

從表3中數據可以看出，拱橋應力校驗系數均小于1，表明其強度滿足設計要求。

3.3 殘余變形分析及裂縫觀測

測試前、后對控制截面進行裂縫開展的檢查，未發現有新裂縫的產生。

4 動載試驗結果

4.1 自振特性測試結果

自振頻率的計算采用有限元程序MIDAS/CIVIL[6]建模計算得到，有限元模型自振頻率圖見圖9所示。

圖9 橋梁自振頻率有限元計算圖(f=5.65 Hz)

自振頻率的測試采用環境激勵法測得，實測頻譜圖見圖10所示。

圖10 跨中截面自振頻率實測圖(f=4.49 Hz)

從計算值5.65 Hz與實測值4.49 Hz對比可以看出，結構自振頻率實測值小于計算值，這是因為拱橋內部的一些缺陷降低了橋梁本身的剛度，使得拱橋自振頻率偏小。

4.2 行車激振試驗測試結果及分析

不同速度的無障礙行車和有障礙行車(跳車)激振下跨中截面激振圖見圖11、圖12，因篇幅關系僅列出無障礙行車30 km/h和跨中跳車15 km/h激振。

圖11 跨中截面無障礙行車30 km/h激振

圖12 跨中截面跳車行車15 km/h激振

通過激振試驗測得活載在以不同速度通過橋梁之后的激振波形圖，活載動力增大系數(1+μ)，可根據測記的測點動撓度和動應變時程曲線進行整理分析。

通過模態軟件的分析，在不同車速下，跨中截面的跳車沖擊系數見表4。

表4 實測跨中截面動應力沖擊系數(1+μ)

本次試驗拱橋實測基頻為f=4.49 Hz，由交通部《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)[5]的規定計算可得，該橋的沖擊系數為1.25。

從試驗數據結果分析可以看出：

跨中截面行車沖擊系數最大數值為1.26，跨中截面跳車沖擊系數最大數值為1.61，均大于規范計算值，沖擊系數較大，行車時振動明顯，考慮到橋面鋪裝層有多處損害，橋面破損和局部坑洼對行車有較大影響，造成行車對橋梁的沖擊作用較大。

5 試驗結論分析及建議

5.1 試驗結論

(1)測試截面在各工況下跨中撓度及截面應力校驗系數均小于1，表明其剛度和強度滿足公路—Ⅱ級要求, 且偏載效應較小。

(2)實測結構基頻為4.49 Hz，小于計算值5.65 Hz，表明結構內部的一些病害和缺陷對結構剛度有一定影響，使得頻率有所下降。

(3)跨中截面跑車沖擊系數最大數值為1.26，跨中截面跳車沖擊最大數值為1.61，均大于規范計算值，說明橋梁結構行車性能較差，考慮到橋面鋪裝層有部分損害，橋面破損開裂和局部坑洼對行車有較大影響，造成行車對橋梁的沖擊作用較大。

5.2 建議

通過對雅安地震后某多跨圬工拱橋的結構外觀損傷檢測及靜動載試驗，發現該橋出現了一定程度的病害和損傷，其中第二跨主拱圈和其余跨的腹拱圈砌縫出現了一定程度的滲水和砌縫空洞現象，因此必須采取一定的維修加固措施，對該橋進行維修加固，以保證橋梁的安全運營。

(1)為了提高橋梁構件的整體性，對檢測中發現的裂縫進行封閉和裂縫治理。對砌體裂縫，采用高壓壓注水泥砂漿的方法進行治理,使之成為一體受力。

(2)對橋面鋪裝層進行整治，鑿除破損開裂的橋面鋪裝，重新鋪筑橋面鋪裝層，使行車平順，減小因橋面不平所造成的跳車對橋梁的沖擊作用。

(3)部分腹拱有較嚴重的滲水和砌縫空洞現象，為修補和增強腹拱的承載能力，建議可對腹拱采用U型套箍混凝土進行加固補強，同時，為了保證施工質量，確保新老結構共同作用，腹拱圈的套箍砼應采用自密實微膨脹砼，并在拱圈表面上植筋以增加新老結構的粘結。

本次通過對該拱橋的靜動載試驗，獲得了該橋的結構現狀及整體受力性能情況，為今后該橋的綜合評估，修復、加固或重建提供了技術依據。

[1] 滑思慶，李剛，陳飛.簡述橋梁荷載試驗[J].山西建筑,2008,34(9)

[2] 代少敏,劉顯陸.橋梁荷載試驗要點評述與展望[J].交通標準化,2009,(6)

[3] YC4-4/1982大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[S]

[4] JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范[S]

[5] JTG D61-2005公路圬工橋涵設計規范[S]

[6] 邱順冬. 橋梁工程軟件Midas Civil應用工程實例[M].北京: 人民交通出版社,2011