某特大跨徑拱橋靜動載試驗分析與評價

耿 澤，孫亞民，裴存棟

(長安大學公路學院，西安 710064)

引言

近年來，隨著公路運輸壓力的不斷增加，對設計、在建、在役及技術加固后的橋梁質量要求越來越高，特別是新的設計理論、設計思想、施工技術不斷應用到橋梁結構中，橋梁結構越來越復雜，跨徑越來越大，對橋梁進行荷載試驗，確定其結構的承載能力和使用性能，檢測橋梁結構的實際工作狀態是否滿足設計荷載作用下的工作要求，便顯得尤為重要［1］。

拱橋造型優美，承載能力大，主跨200 m以上的特大跨徑鋼筋混凝土拱橋并不多見，本文以福建省境內某特大跨徑鋼筋混凝土拱橋為研究對象，建立空間模型，參考已得到的橋梁技術評定結果，分析得出其在靜力荷載作用下的控制截面應力和撓度計算值，及主體結構自振頻率特性、行車動力響應結果，與實際加載的實測值進行比較，從而評價該橋的健康狀況。

1 橋梁概況

該橋設計方案為:5×20 m預應力空心板+1×228.2 m鋼筋混凝土箱型拱(主拱凈距204.959 m)+3×20 m預應力空心板(全橋橋長405.4 m)，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數m=1.875，其中主孔采用單箱三室節段預制。橋面橫坡2%，橋面總寬10 m，橋面布置:0.5 m(防撞欄桿)+9 m(行車道)+0.5 m(防撞欄桿)。橋梁設計汽車荷載等級為公路—I級。拱上結構跨度布置采用12.66 m、12.68 m兩種跨度形式，共布置18孔，橋面系由8片預應力混凝土空心板梁組成，拱座設計為重力式鋼筋混凝土實體結構。根據該橋的設計說明，主拱圈、預應力空心板采用C50混凝土，立柱及帽梁等其它拱上建筑采用C30混凝土，彈性模量取Ec=3.45×104MPa。該橋已使用超過5年，通過《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21—2011)對橋梁各部件進行等級評定，該橋評定為3類橋。

2 有限元模型的建立

主橋力學模型采用有限元軟件Midas Civil 2012參考設計圖紙建立有限元模型。建模時，利用拱建模助手建立拱肋形狀，采用空間梁格法模擬橋面板，空心板的鉸接縫通過釋放梁端約束來模擬，橫向虛擬聯系梁的截面特性與空心板保持一致，拱腳處固結，立柱與拱肋之間的約束采用主從關系來模擬，蓋梁與立柱、橋面板之間的約束采用彈性連接模擬，將車輪荷載作為集中力處理［2］。

各承重構件的計算采用計入普通鋼筋的換算截面，全橋共分2181個節點和2588個單元。本文利用Anil K C［3］的對稱三角形脈沖力理論，通過軟件模擬不同速度的汽車車列，以分析無障礙行車試驗，具體模型如圖1所示。

圖1 拱橋有限元模型

3 試驗方案

3.1 靜載試驗方案

橋梁靜載試驗主要通過測定橋跨結構在靜荷載作用下控制斷面的應力和撓度，從而推斷出橋梁結構在荷載作用下的實際工作狀態，評定橋梁結構承載能力是否達到設計荷載標準，檢驗成橋后結構強度、靜剛度、穩定性和抗裂性等［4］。

3.1.1 測試斷面及測點布置

(1)測試斷面

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21—2011)［5］(以下簡稱《規程》)中有關拱橋加載測點位置的規定及參考試驗現場情況，選取拱橋拱頂截面和拱腳截面作為測試斷面。測試斷面如圖2所示。

(2)測點布置

圖2 控制截面布置圖

荷載試驗的測點布置根據結構受力最不利位置和試驗現場條件進行布置。各測試斷面主要布置應變和撓度測點。測點布置如圖3、圖4和圖5所示，其中13號測點為動應變測點。

圖3 S1截面處空心板應變和撓度測試點布置圖

圖4 拱頂處拱肋上應變測試點布置圖(單位:cm)

圖5 拱腳截面拱肋上應變測試點布置圖(單位:cm)

3.1.2 靜載試驗內容

(1)工況一:拱頂截面最大正彎矩中載工況。順橋向按拱頂截面最大正彎矩的最不利位置布載，橫橋向對稱布載。

(2)工況二:拱頂截面最大正彎矩偏載工況。順橋向按拱頂截面最大正彎矩的最不利位置布載，橫橋偏載。

(3)工況三:拱腳截面最大負彎矩中載工況。順橋向按拱腳截面最大負彎矩的最不利位置布載，橫橋向對稱布載。

3.1.3 試驗荷載

此橋試驗共需加載車4輛，加載車輛總重為35 t的三軸自卸車，軸重分配為14 t，14 t，7 t。為實現對加載試驗的實時控制，保證結構安全，在試驗過程中，加載車輛分級加載，及時將實測控制數據及應力、撓度等換算處理，并與計算值進行對比，以判斷試驗荷載下的結構性能。由《規程》的規定，本文利用內力等效原則確定靜力荷載試驗效率，測試的工況及荷載試驗效率見表1。

表1 加載效率表

3.2 動載試驗方案

橋梁動載試驗主要包括主體結構自振特性測試、行車動力響應測試。測試參數包括自振頻率、振型、阻尼比和沖擊系數，檢驗橋梁的動剛度和行車性能是否滿足要求［6］。動應變測試位置選擇在拱肋拱頂截面。

3.2.1 自振特性

采用頻域法中峰值拾取法，也是目前橋梁模態識別的主要方法，該操作簡單、識別快，利用環境激勵下的響應信號識別模態參數，無需激振設備［7-9］，用高精度超低頻加速度傳感器做拾振器，使用DHMA模態軟件分析該橋的自振特性，得到該橋的動力參數，進而對橋梁結構整體狀態和工作性能進行評估。

3.2.2 無障礙行車試驗

采用1輛總重約為35 t的載重汽車，在橋面上無任何障礙的情況下，受到篇幅限制，以30 km/h、40 km/h的速度駛過橋跨結構的數據，利用動態數據采集儀器配便攜計算機測試測點應變在時域中的變化，根據控制截面測點在行車試驗時記錄的動應變曲線進行分析處理計算活載沖擊系數。

3.3 靜、動剛度

隨著服役期的增長，橋梁結構性能會發生變化，結構動力特性也會有較大的變化，動剛度EID會受到更多更復雜的因素影響，如橋梁邊界約束條件的變化，其值與梁在靜力作用下的剛度EIS明顯不同，賀栓海、宋一凡等對此做了大量研究［10-12］。結構的振動特性反映的是整體結構，與單梁沒有明顯的聯系。隨著荷載的增加，梁的靜、動剛度也不斷降低，其降低的速率不同，如矩形梁靜剛度始終大于動剛度，但T梁靜、動剛度減小速率與矩形梁相反，T梁靜剛度有可能大于其動剛度。鋼筋混凝土橋梁結構動態工作機理還未得到透徹揭示，本文為拱橋體系提供了一定的數據參考。

4 試驗結果及分析

4.1 靜載試驗結果與分析

各測點變形(或應變)計算公式:

式中，St、Se和Sp分別為試驗荷載作用下量測的結構總變形(或總應變)值、結構彈性變形(或應變)值和結構殘余變形(或應變)值;Si為加載前的測值;Sl為加載達到穩定時的測值;Su為卸載后達到穩定時的測值［13］。

4.1.1 撓度分析

利用精密水準儀對橋面兩邊撓度測點進行測量，利用試驗荷載(滿載)作用下撓度在橋面兩邊的分布情況，得到控制截面的靜剛度特性，橋面撓度校驗系數見表2。

表2 工況一撓度分析結果

測試結果表明，實測最大的撓度均小于有限元計算值，撓度校驗系數為0.64、0.70、0.81 和0.54，滿足《規程》中小于1的要求，由此說明在試驗荷載作用下S1和S2測試截面的靜剛度EIS滿足設計要求。橋面相對殘余撓度較大與橋梁的技術狀況不良，梁板存在多條裂縫相吻合。

4.1.2 應變分析

拱肋各測點的實測數據見表3。拱肋應變校驗系數均滿足《規程》中不大于1的要求，說明在試驗荷載下，拱肋強度滿足設計要求。拱肋相對殘余應變均超過《規程》中20%的規定，說明拱肋在試驗荷載作用下彈性狀態不佳，在較大的車輛荷載下，拱肋會發生塑性變形。

表3 拱肋應變校驗系數

4.2 動載試驗結果與分析

4.2.1 自振特性結果與分析

(1)實測自振特性

利用DHMA模態軟件計算自振特性，如圖6～圖8所示，自振頻率、阻尼比及振型特征說明見表4。

圖6 自振特性測試時程曲線

圖7 自振特性測試幅值曲線

圖8 豎向1階模態試驗分析結果

表4 動力分析實測結果

(2)有限元計算自振特性

由Midas Civil 2012軟件計算得到本橋自振頻率和振動特征。

(3)實測結果與有限元計算對比分析

由于該橋空心板、拱肋及拱座存在著較多裂縫，部分支座缺失，全橋剛度必定受到影響，豎向振動實測頻率0.98明顯小于計算值1.12(表5)，說明實際的動剛度小于計算剛度，結構剛度稍有削弱［14-15］，振型特征一致，由時域曲線分析結果可以看出，橋梁振動阻尼系數較大，結構耗能較快(圖9)。

表5 動力分析計算結果

圖9 豎向1階振型計算結果

4.2.2 無障礙行車試驗結果分析

(1)實測行車試驗

大橋行車試驗中動應變測試的結果如圖10所示。

圖10 實測動應變時程曲線

由動應變曲線計算出各工況的實測沖擊系數，進行加權處理后分別為 0.05，0.11。

(2)有限元計算行車試驗

通過Anil K C的對稱三角形脈沖力理論，本文利用Midas Civil軟件計算得到應力時程曲線，進行加權處理后得到沖擊系數0.03和0.08，如圖11所示。

圖11 應力時程曲線

將各工況的沖擊系數實測值與計算值對比，見表6。計算值和實測值較接近，由于部分墩頂負彎矩較大，導致橋面鋪裝存在多條橫向裂縫，沖擊系數的實測值比計算值稍大。

表6 沖擊系數實測值及計算值分析比較

(3)行車試驗校驗系數結果分析

行車試驗校驗系數結果分析見表7。對比行車試驗中測點最大實測和計算的響應值，橋梁結構具有一定的安全儲備，行車試驗的結果與靜載試驗結果也較接近，試驗結果可靠。

表7 校驗系數

5 結論

該橋的技術狀況評定為3類橋，通過現場試驗、試驗數據以及試驗結果的分析，可得到以下4點結論:

(1)靜載試驗結果表明，該橋的撓度和應變校驗系數均滿足規范要求，說明測試截面S1和S2的靜剛度和強度均滿足設計要求，但大部分殘余值超過20%，根據該橋出現的裂縫和其他技術狀況，在較大車輛荷載下，會發生塑性變形。

(2)自振特性分析結果表明，由于該橋空心板、拱肋、拱座和防撞護欄存在著較多裂縫，多跨部分支座喪失功能，邊界條件發生較大變化，全橋剛度必定受到影響，豎向振動實測基頻小于計算值，說明實際橋梁的動剛度小于計算剛度。

(3)沖擊系數結果表明，由于部分墩頂負彎矩較大，導致橋面鋪裝存在多條橫向裂縫，無障礙行車得到的沖擊系數略高于計算值，結構沖擊系數直接關系到橋梁的安全和經濟性能，這種現象會縮短橋梁的行駛壽命，并加劇路面的破壞［16］。

(4)行車試驗校驗結果表明，結構在動載試驗中，橋梁具有一定的安全儲備。

由于該橋在外觀檢測中發現多跨簡支空心板梁的支座脫空、剪切變形嚴重、支座偏位嚴重，拱座出現較多裂縫，邊界條件發生較大變化，導致動力特性中的動剛度降低幅度比靜剛度大，該橋尚能維持正常使用，但試驗數據分析出的問題與該橋技術狀況有關。

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