458t超重車通行大跨度石板拱橋載荷試驗與分析

（福建路信交通建設監理有限公司，福州 350007）

458t超重車通行大跨度石板拱橋載荷試驗與分析

■劉麗煙

（福建路信交通建設監理有限公司，福州 350007）

本文在理論驗證的基礎上，通過等效荷載試驗和模擬通行試驗的方法，得出458t大件運輸車直接通行該橋是不安全的，需要增設鋼管拱肋的加固處理的結論。對類似工程具有參考價值，對舊橋，危橋的改造及應用具有重要的指導意義。

超重車 大跨徑 空腹式石板拱橋 試驗

1 前言

隨著經濟的發展，運輸的需要，諸多上世紀末或本世紀初采用石板材修建的大量石板拱橋無法滿足較重荷載的通行能力。鑒此，本文以某重件運輸為背景，即福州閩侯縣道上某國家重點工程運輸大型變壓器的大件運輸車 (包括車頭連同設備的車貨總重為458t)，欲通行跨徑為50.5m的空腹式石板拱橋，通過等效荷載試驗和模擬通行的方法，計算結果表明大件運輸車直接通行該橋是不安全的，需要采取增設鋼管拱肋的加固措施來保障通行安全。

2 拱橋概況

本橋位于福州閩侯縣道上，道路等級為三級公路，設計行車時速為30km/h，道路路基寬度為7.5m，全幅水泥路面。橋梁上部構造：空腹式石板拱橋，橋梁凈跨徑50.5m，凈矢高8.5m，凈矢跨比1/5.94，主拱圈高100cm；橋面寬度組成為0.5m(護欄)＋6.8m(行車道)＋ 0.5m(護欄)=7.8m。下部結構：橋臺采用漿砌半細料石，基礎采用片石混凝土。橋梁立面圖如圖1所示。

在大件運輸車過橋前對大件車的軸距及軸重參數進行了現場實測，大件運輸車設備與車的總重為458t，其載重參數如圖2所示。

圖2 載重后大件運輸車軸重布置簡圖

3 拱橋的加固方案及理論驗證結果

采用有限元分析軟件MIDAS/civil建模計算，將橋面單元和拱上立柱單元設置為兩端鉸接，以使拱上建筑不參與結構受力，拱頂配重換算成節點質量直接施加在相應節點上，有限元模型見圖3。計算結果表明，兩拱腳的偏心距大于允許偏心距，不能滿足特載車輛通行要求，需對橋梁進行加固。

圖3 有限元計算模型圖

考慮到施工工期短、對橋面通行影響小、新舊結構接觸效果好等因素，該橋擬采用鋼結構加固的方案。本方案采用在原橋拱肋下布置7道啞鈴形鋼管拱進行支撐，鋼管厚12mm，鋼管拱肋之間設橫向聯系，為了保證拱肋與原拱肋底接觸良好，沿鋼管拱肋按適當間距設置肋板增加接觸面，通過鋼管拱肋與原橋拱肋共同受力以減小原橋拱肋截面內力，從而減小偏心距及截面應力。腹拱圈采用按適當間距設置圬工立墻加固，加固后橋梁總體立面圖見圖4，圖5。

加固后的結構有限元模型為在原模型基礎上增加鋼管拱肋單元，鋼管拱肋各節點與原拱肋對應節點之間采用只受壓邊界條件處理以模擬鋼管拱肋單元與結構共同受力。通過結構檢算，加固后該橋原拱肋控制截面偏心距、控制截面承載能力、鋼管拱肋截面上下緣應力值均滿足設計要求，橋梁加固后可以滿足大件運輸車的通行要求。

圖5 加固橋梁總體立面圖

4 加固后拱橋的試驗與分析

4.1 靜載試驗

本次大件運輸車過橋車速緩慢，控制在5km/h左右，不考慮沖擊系數的影響，因此本次荷載試驗只需進行靜載試驗。本次荷載試驗的控制截面為拱頂截面、距跨中5.5m截面 (白沙側)和拱腳截面；撓度測點分別布置于距跨中5.5m截面 (白沙側)和拱頂位置的新舊結構下方，采用百分表讀數；應變測點分別布置于三個控制截面的鋼管拱肋下方，通過應變采集系統測得讀數。

本次試驗共設四個工況，為保證安全每個工況均采用多級加載，測得各級加載作用下的撓度、應變，并實時觀測各級荷載作用下的試驗現象，試驗內力荷載效率ηq在0.96~1.01之間，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中試驗效率要求 (1.05≥ηq≥0.95)，說明本次試驗能夠反應結構的控制截面在458t大件運輸車作用下的工作性能。具體工況如下：

工況一：拱頂截面最大正彎矩和撓度 (中載)；

工況二：距跨中5.5m截面最大正彎矩 (中載)；

工況三：拱腳截面最大負彎矩 (中載)；

圖4 加固橋梁總體立面圖

工況四：拱腳最大水平推力 (中載)。

本次荷載試驗采用6軸平板車配合配重塊共同加載，通過平板車的移動來實現逐級加載。6軸平板車總軸重為2150kN，1#軸為150kN，2#~6#軸為400kN；工況一配重塊總重為576kN，工況二配重塊總重為700kN，工況三配重塊總重為360kN，工況四配重塊總重為1500kN。試驗車輛的軸重、軸距及平面布置見圖6，試驗加載布置詳圖見圖7。

圖6 6軸平板車軸重、軸距及平面圖 (單位：cm)

圖7 各工況試驗加載平面布置圖 (單位：cm)

表1 各工況作用下關鍵截面撓度

表2 各工況作用下關鍵截面應變

分析表1及表2可知，各工況滿載作用下，關鍵截面主要測點應變和撓度校驗系數分別在0.06~0.96和 0.23~0.75之間，滿足《評定規程》中結構校驗系數ζ＜1的要求，表明試驗跨橋跨結構的強度和剛度滿足設計荷載要求；卸載后，各工況滿載作用下，主要撓度測點相對殘余值在0~19%之間，均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》的要求 (不大于20%)；卸載后，各工況滿載作用下，主要應變測點相對殘余值大部分小于20%，小部分大于20%。分析相應數據可知，在荷載作用下加固鋼管的應變值很小，大部分測點應變僅為10μ，這樣較小的殘余應變也會導致相對殘余應變超過20%，因此，該部分數據僅做參考。

4.2 模擬通行試驗

本次通行試驗采用與實際通行一致的大件運輸車來模擬通行，車貨總重492.5t(載重配重塊約為實際變壓器重量的1.1倍)，主要監測橋梁跨中截面動撓度和跨中、距跨中5.5m(白沙側)及拱腳截面動應變。

由圖8可知，同種結構撓度變形規律和大小基本一致，行車經過跨中時撓度最大；石板拱肋變形大于加固鋼管拱肋，經分析可能原因是新舊結構之間通過環氧樹脂進行粘結，在荷載作用下，舊結構先開始變形，然后通過壓縮粘結環氧樹脂傳遞荷載到加固鋼管上，鋼管開始受力變形，結構開始整體共同受力，該規律與靜載試驗結果一致。

由圖9可知，大件運輸車作用在兩拱腳時跨中測點應變為負值，數值較小；不斷行駛到跨中時應變轉為正值，且數值不斷增大，當到達跨中時數值最大。

由圖10可知，大件運輸車不斷向5.5m位置行駛，應變值不斷增大且為正值；行駛至5.5m位置時，正值最大；向前行駛，應變數值不斷減小，到達另一側5.5m位置時出現負值最大；再行前行駛，負值不斷減小，直到大件車行駛過本橋，應變值恢復到零。

由圖11可知，大件運輸車向前行駛拱腳應變值不斷增大且為負值；當行駛至影響線最大位置時，拱腳應變數值最大，不斷向前行駛，應變負值不斷減小，直至恢復到零。

圖8 跨中截面撓度時程曲線

圖9 跨中測點動應變時程曲線

圖10 距跨中5.5m測點動應變時程曲線

圖11 拱腳測點動應變時程曲線

以上分析可知，加固后該橋跨中截面、距跨中5.5m截面、拱腳截面應變時程曲線與單獨拱肋該截面的影響線一致，說明該橋在大件運輸車通行時，新舊結構整體工作性能良好；同時各測點撓度最大值和應變最大值均小于理論計算值。綜上表明，加固后該橋滿足458t大件運輸車的通行要求。

5 結束語

通過等效荷載試驗和模擬通行試驗，進一步驗證了鋼結構加固方案的可行性，同時該方法具有較大的實用性和優越性，可為超重車輛過橋管理，尤其是通過大跨度石板拱橋提供借鑒，對舊、危石板拱橋的改造工程具有指導意義。

［1］李東哲，鄭朝陽，孫煥軍．重車過橋的驗算方法及加固與管理措施［J］．黑龍江水專學報，2001(1)：62-63.

［2］JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土和預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

［3］JTG/TJ21-2011，公路橋梁承載力檢測評定規程［S］.