塘嶼剛架拱橋的荷載試驗研究

羅 子 文，羅 成 斌

（1.中國建筑科學研究院上海分院，上海200023；2.上海建科結構新技術工程有限公司，上海 200023）

塘嶼剛架拱橋的荷載試驗研究

羅 子 文1，2，羅 成 斌1，2

（1.中國建筑科學研究院上海分院，上海200023；2.上海建科結構新技術工程有限公司，上海 200023）

荷載試驗是評估橋梁實際工作狀態和承載能力最直接的方法，也是評定橋梁結構的使用狀況的有效方法。文章以塘嶼剛架拱橋為工程實例，通過對橋梁結構在荷載作用下的應變、變形、振動頻率及振幅等實際響應的研究，闡述了荷載試驗的靜載試驗和動載試驗過程，分析了荷載試驗結果，闡明了橋梁結構承載能力與工作狀態。結果表明：靜載試驗中，荷載試驗效率為0.96～1.00，測試截面的混凝土應力校驗系數為0.23～0.82，鋼筋應力校驗系數為0.04～0.12，試驗橋跨的強度能夠滿足設計荷載的使用要求；動載試驗中，實測豎向變形校驗系數均值為1.10，自振頻率為3.91 Hz，沖擊系數為0.35，均小于規范限值或理論計算值要求，使得橋跨的豎向整體剛度不足，沖擊效應偏大。

剛架拱橋；荷載試驗；承載能力

0 引言

剛架拱橋是一種以無支架施工技術為基礎而發展起來的新型橋梁。這種結構形式的橋梁除了具有雙曲拱橋、桁架拱橋、肋拱橋以及斜腿剛構等橋型的某些特點外，還具有構件少、整體性好、剛度較大、自重較輕、造型美觀等優點。剛架拱橋的主要結構由剛架拱片、橫梁、微彎板及橋面系等幾個部分組成。剛架拱橋的受力趨于整體受力，拱的特性又在結構內部形成高次超靜定，是一種有推力拱。此外，剛架拱橋對地基的承載力要求比其它類型的拱橋要低［1-7］，已被廣泛應用于跨徑為25～70 m的橋跨結構。

我國的剛架拱橋最早出現于20世紀70年代中后期。江蘇無錫志公橋（1979年，跨徑50 m）是我國最早修建的剛架拱橋。此后的一段時間內，江蘇、山東、廣東、遼寧等地先后新建了多座剛架拱橋，從結構形式、跨徑、施工技術及使用經驗等多方面有了大量的積累［7-8］。但是隨著經濟、交通的發展，一些年代較久的剛架拱橋會因設計荷載等級偏低、結構材料性能不足、日常管養不到位、超載車輛通行等多方面的原因，使得橋梁結構出現多種病害，其承載能力也表現出退化和降低［5-10］，這一類橋梁可能長期處于超負荷運營狀態。為了確保橋梁結構的安全運營，需要對這一類橋梁采取科學、合理的方法確定其現有的實際承載能力。目前用于舊橋承載能力評估最主要的方法是荷載試驗法。荷載試驗是最直接有效的方法。對老舊橋梁結構開展的荷載試驗，在其現狀檢測評估基礎上，對橋梁結構施加確定荷載，通過相應的測試方法和手段，量測結構對所施加荷載的實際響應（如應變、變形、振動頻率及振幅等），并以此來評判橋梁結構的實際承載能力和使用狀況，掌握橋梁結構的日常實際工作狀態，為橋梁結構的養護、維修及加固提供基本資料和依據。橋梁結構荷載試驗包括靜載試驗和動載試驗，靜載試驗主要用于評定橋梁結構在正常使用狀態下的承載能力和使用性能，動載試驗則主要用于評定結構的動力特性。

1 工程概況

塘嶼大橋位于福建省長樂市，為一座南北走向的鋼筋混凝土剛架拱橋。橋梁的凈跨徑為45.0 m，凈矢高為 5.62 m（矢跨比為1／8），建筑總長度為99.08 m，橋面總寬為 12.0 m，通行凈寬為9.0 m。橋面采用鋼筋混凝土鋪裝，兩側采用鋼筋混凝土花板欄桿。車行道橋面沿橋梁中心線向兩側各設1.5%雙向橫坡。

該橋上部結構由4榀鋼筋混凝土剛架拱片、橫隔梁、微彎板組成，所有構件均采用工廠預制，現場分段吊裝。主拱片尺寸為35 cm×80 cm（拱腳）、35 cm×70 cm（拱頂），橫隔梁尺寸為15 cm×50 cm，兩主拱片間設15道橫隔梁；微彎板厚度為6 cm。下部結構采用尺寸為700 cm×590 cm和高度為180 cm的混凝土承臺，下設直徑為100 cm、長為1900 cm的混凝土灌注樁。該橋主拱片、橫隔梁、微彎板、橋面鋪裝層均采用30＃混凝土，人行道板、緣石、欄桿、灌注樁采用25＃混凝土，承臺及臺帽采用20＃混凝土。設計荷載為汽車-20級、掛車-100。

塘嶼大橋橋梁實景圖如圖1所示，橋梁結構布置示意圖如圖2所示。

圖1 塘嶼大橋實景圖

圖2 塘嶼大橋結構布置示意圖／cm

經現場檢測，橋梁的主要病害及缺陷有：橋梁整體豎向剛度不足、微彎板嚴重開裂、鋪裝層及欄桿嚴重破損等。

2 靜載試驗

2.1 橋梁結構的有限元模型分析

根據橋梁的圖紙資料及現場檢查檢測數據，采用橋梁博士軟件進行剛架拱片的有限元計算分析，有限元模型如圖3所示。

通過計算設計荷載作用下各主要控制截面的撓度和內力影響線，利用荷載等效原則確定測試斷面、試驗荷載以及試驗加載程序。

2.2 試驗設計

根據剛架拱橋的受力特點及相關規范進行荷載試驗設計［14-18］，試驗的測試控制截面及測點布設圖如圖4所示。

2.3 試驗荷載確定

試驗控制截面J1和 J2的加載載位及加載現場圖如圖5所示。

按照荷載等效原則，采用影響線加載的方式確定試驗荷載。經過計算，采用二輛總重為244.4 kN的三軸汽車進行加載，可滿足規范關于荷載效率為0.95～1.05的要求［14］，試驗的荷載效率計算見表1。試驗時，采用5級加載機制：0→20%→40%→60%→80%→100%。每一級加載采用車輛中軸在橋跨上的位置控制。

表1 荷載試驗效率

2.4 試驗結果與分析

2.4.1 混凝土應力及其校驗系數

實測 J1和 J2截面混凝土應力及其校驗系數結果見表2、3，其中，混凝土應力以受壓為正，受拉為負；混凝土應力按 Ec=3.0×104MPa計算［17］。

圖3 塘嶼大橋的有限元模型圖

圖4 靜載測試斷面及測點布置圖／cm

表2 J1截面混凝土應力測試結果及其校驗系數

圖5 靜載加載載位示意圖／cm

表3 J2截面混凝土應力測試結果及其校驗系數

表2、3的結果表明，剛架拱片的強度滿足設計荷載的使用要求，其相對殘余應力，J1截面為-14.9%～20%，J2截面為-5.6%～16.7%，滿足規范不超過 20%的規定［14］；實測的應力校驗系數J1截面為 0.23～0.82，平均值為0.53，J2截面為0.49～0.75，平均值為0.64，均滿足規范關于應力校驗系數不宜超過1.0的規定［14］。

2.4.2 主拱梁底鋼筋應力

J1和J2截面剛架主拱拱底的鋼筋應力實測結果見表4、5，其中，鋼筋應力以受拉為正，受壓為負；鋼筋應力按Es=2.1×105MPa［17］計算。

表4 J1截面主拱拱底鋼筋應力測試結果及其校驗系數

表5 J2截面主拱拱底鋼筋應力測試結果及其校驗系數

表4、5的結果表明，剛架拱片的鋼筋應力滿足設計荷載的使用要求，其相對殘余應力為 J1截面為0%～6.7%，J2截面為0% ～6.9%，滿足規范不超過 20%的規定［14］；實測的應力校驗系數 J1截面為

0.04 ～0.12，J2截面為 0.04～0.11，均滿足規范關于應力校驗系數不宜超過1.0的規定［14］。

2.4.3 拱片豎向變形測試結果

實測控制截面的豎向變形結果見表6、7。

表6 J1截面豎向變形實測結果和校驗系數

表7 J2截面豎向變形實測結果和校驗系數

表6、7的結果表明，剛架拱片的豎向剛度不能滿足設計荷載的使用要求，實測 J1截面的最大相對殘余變位為25%，超過規范規定限值 20%［14］；實測撓度校驗系數，J1截面為 1.03～1.24，J2截面為0.72～1.30，不滿足規范關于變形校驗系數不宜超過 1.0的規定［14］。

2.4.4 靜載試驗中的裂縫觀測

在靜載試驗過程中，對主拱和微彎板的裂縫進行監測，發現主拱片未出現裂縫，微彎板的橫向裂縫寬度明顯增大，其裂縫擴展度為13%～27%。

3 動載試驗

表8 結構自振特性測試結果

表8的結果表明，實測橋梁的一階自振頻率小于理論計算值，橋梁結構的實測與理論剛度比為0.35，橋梁的實際豎向剛度比理論剛度小，且橋梁自振屬于小阻尼振動。

3.2 動力響應測試

采用單車（三軸重車）按10、20、30和40 km／h進行跑車試驗的動應變測試結果見表9，通過對動應變的時程曲線分析計算所得的應變增大系數k見表 10。應變增大系數超過了規范限值 0.10［18］，汽車荷載的沖擊效應偏大。

動載試驗項目包括橋梁自振特性測試和動力性能測試。自振特性測試時，在 J1和J2截面的橋面上布設加速度拾振器，封閉交通，測試橋梁結構在空載狀態下由風荷載、地脈動等自然隨機激勵引起的微幅振動響應。動力性能測試時，利用一輛三軸重車居中勻速駛過橋面，測試3＃拱片和4＃拱片的鋼筋動應變時程曲線，設計時速分為四級：10、20、30和40 km／h。

3.1 自振特性測試

對空載狀態的橋梁自振脈動信號進行頻譜分析，識別其固有頻率，結果見表8。

表9 結構動應變測試結果

表10 結構應變增大系數 k

表9和表10的結果表明：實測橋梁沖擊系數為0.15～0.35，大于規范限值 0.10，橋梁在車輛荷載作用下的豎向沖擊效應偏大［18］。

4 結論

通過上述研究可知：

（1）荷載效率為0.96～1.00，滿足規范荷載效率為0.95～1.05的規定；剛架拱片控制測試截面的混凝土應力校驗系數為0.23～0.82，未超過規范規定值1.0，相對殘余不超過規范的規定限值20%；鋼筋應力校驗系數為0.04～0.12，相對殘余不超過規范限值20%，橋梁的結構強度整體能夠滿足原設計荷載的使用要求；

（2）剛架拱片控制測試截面的豎向變形校驗系數最大值達 1.30，平均值為 1.10，超過規范限值1.0，且實測變形的相對殘余超過規范限值 20%，橋梁的豎向剛度不足；

（3）實測橋梁自振頻率為3.91 Hz，小于理論計算的5.38 Hz，橋梁的結構剛度比為0.35，其實際的豎向剛度小于理論剛度；實測橋梁的沖擊系數為0.35，大于規范限值0.10，結構的沖擊效應偏大，偏于不安全。

［1］ 《公路橋涵設計手冊》編寫組.拱橋（上冊）［M］.北京：人民交通出版社，1978.

［2］ 婁有原.剛架拱橋的發展與推廣［J］.公路交通科技，1989（4）：33-38.

［3］ 劉以娟.鋼筋混凝土拱橋的發展［J］.西南交通大學學報，1992，85（3）：15-19.

［4］ 黎振源，賴蒼林，劉明，等.基于靜載試驗的剛架拱橋荷載橫向分布系數分析［J］.公路與汽運，2013（1）：163-166.

［5］ 吳鑒軍，莫寧，徐永鋒.剛加拱橋的病害原因與加固分析［J］.廣西大學學報（自然科學版），2008，33（增刊）：61-63.

［6］ 楊斌，代磊.某剛架拱橋病害分析及加固維修方案［J］.吉林交通科技，2013（1）：15-19.

［7］ 師志偉，劉媛，宋郁民.缺失資料舊橋材料特性的檢測與荷載試驗［J］.鐵道標準設計，2008（10）：49-52.

［8］ 吳有明，孫卓，蔡卡宏，等.某斜腿剛架拱橋靜動載試驗評估［J］.廣州大學學報（自然科學版），2011，10（6）：79-83.

［9］ 譚德盼，姜海波，何柏青，等.斜腿剛架拱橋微彎板的病害原因分析［J］.廣東工業大學學報，2007，24（3）：88-91.

［10］袁成，衛世杰，陳永健，等.鋼筋混凝土剛架拱橋損傷分析和加固措施［J］.市政技術，2013，32（2）：49-52.

［11］張凱，李宇，周燕.剛架拱橋力學性能分析［J］.鄭州大學學報（工學版），2008，29（4）：106-111.

［12］羅子文.某鐵路 π型梁橋的荷載試驗研究［J］.河北工程大學學報（自然科學版），2013，30（3）：57-60.

［13］施尚偉，向中富.橋梁結構試驗檢測技術［M］.重慶：重慶大學出版社，2012.

［14］JTG／TJ 21—2011，公路橋梁承載能力檢測評定規程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［15］JTG／TH 21—2011，公路橋梁技術狀況檢測評定標準［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［16］JTG／TH 11—2004，公路橋涵養護規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［17］JTJ 023—85，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.北京：人民交通出版社，1985.

［18］JTJ 021—89，公路橋涵設計通用規范［S］.北京：人民交通出版社，1989.

（學科責編：吳芹）

Study on the load tests of TangYu reinforced concrete rigid frame arch bridge

Luo Ziwen1，2，Luo Chengbin1，2
（1.Shanghai Branch of China Building Research Academy，Shanghai 200023，China；2.Shanghai Advanced Technology of Building Construction Co.，Ltd.，Shanghai 200023，China）

Load tests，including static and dynamic tests，are the most direct and effective method，which can be used to identify and evaluate the working performance and actual load-bearing capacity of bridges，and to provide basic data for the bridge maintenance and reinforcement.Taking Tangyu reinforced concrete rigid frame arch bridge as engineering background，the paper studies the actual response of the bridge（such as strain，deformation，frequency and amplitude，etc.），briefly introduces the testing process，and assesses the test results，the working performance and carrying capacity of the bridge.Test results show that the carrying capacity of the bridge complied with the design requirement，with the response ratio of test load to design load was 0.96～1.00 and the concrete and steel verification coefficient was 0.23～0.82，0.01～0.12，respectively，which does not exceed the specification limit，but the vertical stiffness of the bridge is inadequate and its impact effect is relatively large，with testing deformation verification coefficient，measured vibration frequency and impact factor were 1.08（maximum of 1.30），3.91Hz and 0.35，respectively，which not meeting the standard limit value or theoretical value requirements.

reinforced concrete rigid frame arch bridge；load tests；carrying capacity

TG333.17

A

1673-7644（2015）03-0216-08

2014-06-20

羅子文（1980-），男（土家族），高級工程師，碩士，主要從事橋梁及建筑結構檢測與加固等方面的研究.E-mail：raul_forever＠126.com.