不等跨連續(xù)雙曲拱橋試驗檢測和承載力評價

■王達龍

（1.福建省交通科學技術(shù)研究所；2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州　350004）

不等跨連續(xù)雙曲拱橋試驗檢測和承載力評價

■王達龍1，2

（1.福建省交通科學技術(shù)研究所；2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州350004）

本文以9孔不等跨連續(xù)雙曲拱橋為例，采用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)模型，通過靜載試驗和動載試驗，將實測結(jié)果與理論結(jié)果比較,對該橋跨結(jié)構(gòu)承載能力進行評價。結(jié)果表明該橋承載能力能滿足汽車-20級、掛車-100設(shè)計荷載等級要求。

不等跨雙曲拱試驗分析承載力評價

1　工程概況

某大橋為70年代初期所建，后于2001年進行加固改造。該橋為22.10m+25.60m+7×22.10m 9孔不等跨連續(xù)雙曲拱橋，主拱圈為等截面懸鏈線無鉸拱，凈跨徑為19.50（兩邊孔）、22.70m（主孔）及20.00m。凈矢跨比F0/L0= 1/6，拱軸系數(shù)m=3.5。橋面寬度為2.5m（人行道）+7.0m（行車道）+1.5m（分隔帶）。拱圈高度：除L0=22.70m的主拱高度為71cm外，其余各孔高69cm。腹拱為圓弧拱，凈跨徑為1.60m及2.00m兩種，凈矢跨比均為F0/L0=1/4。拱圈由7拱6波組成，拱肋為250#鋼筋混凝土，橫系梁及上部構(gòu)造為200#鋼筋混凝土。設(shè)計荷載：汽車-20級、掛車-100。

通過對該橋進行靜動載試驗和承載能力評定，評價該橋承載能力是否滿足汽車-20級、掛車-100設(shè)計荷載等級要求。

橋跨結(jié)構(gòu)布置圖如圖1。

2　試驗結(jié)果及分析

2.1靜載試驗

2.1.1試驗工況

根據(jù)各橋跨結(jié)構(gòu)受力特點和病害情況，選取第1跨～第4跨進行試驗，具體如表1，主要測試截面如圖2。

2.1.2測點布置

（1）撓度測點：第1跨跨中截面（Ⅰ-Ⅰ）、第2跨L/4截面（Ⅱ-Ⅱ）、第2跨3L/4截面（Ⅲ-Ⅲ）、第2跨跨中截面（Ⅳ-Ⅳ）、第3跨跨中截面（Ⅴ-Ⅴ）、第4跨跨中截面（Ⅵ-Ⅵ）。撓度測點布置如圖3。

表1　靜載試驗加載工況

（2）應(yīng)變測點：第1跨跨中截面（Ⅰ-Ⅰ）、第2跨L/4截面（Ⅱ-Ⅱ）、第2跨跨中截面（Ⅳ-Ⅳ）、第3跨跨中截面（Ⅴ-Ⅴ）、第4跨跨中截面（Ⅵ-Ⅵ）、3#墩3跨側(cè)截面（Ⅷ-Ⅷ）。應(yīng)變測點布置如圖4所示。

2.1.3橋梁承載能力的評定方法

（1）校驗系數(shù)

校驗系數(shù)η是評定結(jié)構(gòu)工作狀況，確定橋梁承載能力的一個重要指標，可以從中判定橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力的工作狀態(tài)。實測結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)η是試驗的實測值與理論計算值的應(yīng)力或撓度之比，它反映結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)。

對于應(yīng)力，則：

對于撓度，則：

η值越小說明結(jié)構(gòu)的安全儲備越大，但η值不宜過大或過小，如η值過大說明組成結(jié)構(gòu)的材料強度可能較低，結(jié)構(gòu)各部分聯(lián)結(jié)性能較差，剛度較低等。η值過小可能說明組成結(jié)構(gòu)材料的實際強度及彈性模量較大，梁橋的混凝土鋪裝及人行道等與主梁共同受力，支座摩擦力對結(jié)構(gòu)受力的有利影響，以及計算理論或簡化的計算圖式偏于安全等等。另外，試驗加載物的稱量誤差、儀表的觀測誤差等對η值也有一定的影響。

（2）相對殘余變位（或應(yīng)變）

殘余變位（或殘余應(yīng)變）按下列下公式計算：總變位（或總應(yīng)變）St＝Sl－Si

彈性變位（或彈性應(yīng)變）Se＝Sl－Su

殘余變位（或殘余應(yīng)變）Sp＝St－Se＝Su－Si式中，Si——加載前測值；

Sl——加載達到穩(wěn)定時測值；

Su——卸載后達到穩(wěn)定時測值。

引入相對殘余變位（或應(yīng)變）的概念描述結(jié)構(gòu)整體或局部進入塑性工作狀態(tài)的程度。

相對殘余變位（或應(yīng)變）按下式計算：S′p=Sp/St×100%

式中，S′p——相對殘余變位（或應(yīng)變），Sp、St意義同前。

2.1.4靜載試驗結(jié)果

（1）從表2可以看出，在試驗荷載作用下，第1跨跨中截面撓度校驗系數(shù)分別為0.62～0.76，相對殘余撓度最大值為11.3%；第2跨跨中截面撓度校驗系數(shù)分別為0.73～0.79，相對殘余撓度最大值為9.6%；第3跨跨中截面撓度校驗系數(shù)分別為0.68～0.76，相對殘余撓度最大值為10.1%；第4跨跨中截面撓度校驗系數(shù)分別為0.70～0.82，相對殘余撓度最大值為10.3%；第2跨L/4截面撓度絕對值之和的校驗系數(shù)分別為0.65～0.70，相對殘余撓度最大值為17.6%。各測試截面撓度校驗系數(shù)均小于《規(guī)程》［1］規(guī)定的限值1.00，相對殘余撓度最大值均小于《規(guī)程》規(guī)定的20%。

表2　（1）各工況撓度分析

表2　（2）　各工況撓度分析

（2）應(yīng)變分析如表3所示。

表3　各工況應(yīng)變分析

從表3可以看出，在試驗荷載作用下，第1跨跨中截面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.70～0.74，相對殘余應(yīng)變最大值為6.8%；第2跨L/4截面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.57～0.70，相對殘余應(yīng)變最大值為10.0%；第2跨跨中截面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.66～0.82，相對殘余應(yīng)變最大值為8.1%；第3跨跨中截面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.73～0.77，相對殘余應(yīng)變最大值為7.7%；第4跨跨中截面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.61～0.74，相對殘余應(yīng)變最大值為8.1%；3#墩3跨側(cè)截面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.62～0.73，相對殘余應(yīng)變最大值為8.8%。各測試截面應(yīng)變校驗系數(shù)均小于《規(guī)程》規(guī)定的限值1.00，相對殘余應(yīng)變最大值均小于《規(guī)程》規(guī)定的20%。

2.2動載試驗

2.2.1測點布置

（1）自振特性試驗

在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，在各跨支點、L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8截面相對應(yīng)的橋面上，沿右側(cè)置放脈動測點傳感器，測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風荷載、地脈動等隨機荷載激振而引起的微小振動響應(yīng)，測試橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率和振型，以分析橋跨結(jié)構(gòu)自振特性。

（2）無障礙行車試驗

采用1輛載重汽車分別以10km/h、20km/h和30km/h的車速通過橋跨結(jié)構(gòu)，測試該橋跨2-4拱肋的動應(yīng)變，分析其沖擊系數(shù)。

2.2.2動載試驗結(jié)果

（1）自振特性試驗結(jié)果

實測的信號經(jīng)FFT分析、模態(tài)分析表明，該橋跨結(jié)構(gòu)豎向1階頻率實測值fmi與理論值fdi的比值為0.94，實測振型與理論計算振型相似，如圖5。

（2）無障礙行車試驗結(jié)果

在不同車速情況下，測得2-4拱肋跨中截面沖擊系數(shù)見表4。

表4　拱肋跨中截面沖擊系數(shù)和動應(yīng)變

從表4可以看出，在行車速度為10km/h、20km/h和30km/h情況下，2-4拱肋跨中截面的跑車沖擊系數(shù)換算成標準車列后為1.16、1.08和1.14，按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》［2］（JTG D60-2004）中沖擊系數(shù)μ的計算公式計算：當1.5Hz≤f≤14Hz，1+μ=1+（0.1767lnf-0.0157）（這里f取豎向1階頻率），可得該橋跨跨中截面理論沖擊系數(shù)1+μ為1.25，可知實測沖擊系數(shù)小于規(guī)范值。

3　結(jié)論

通過靜載與動載實驗結(jié)果與理論計算相比較，得到如下結(jié)論：

（1）靜載試驗結(jié)果表明：在試驗工況荷載作用下，橋跨結(jié)構(gòu)各測試截面撓度與應(yīng)變校驗系數(shù)均小于或處于《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》規(guī)定的常值范圍，相對殘余撓度均小于《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》［3］規(guī)定的20%。

（2）動載試驗結(jié)果表明：該橋跨實測豎向1階自振頻率略大于理論計算值，實測振型和理論振型一致。實測相當于標準汽車荷載的最大沖擊系數(shù)小于規(guī)范值，橋梁沖擊效應(yīng)較明顯。

（3）綜上所述，該橋承載能力目前能滿足汽車-20級、掛車-100設(shè)計荷載等級要求。

［1］JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.

［2］JTG D60-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］大跨徑混凝土橋梁的試驗方法［S］，1982.