基于荷載試驗的某空腹式雙曲拱橋工作性能分析

■吳騰飛

（福建船政交通職業學院，福州　350007）

基于荷載試驗的某空腹式雙曲拱橋工作性能分析

■吳騰飛

（福建船政交通職業學院，福州350007）

本文以某空腹式雙曲拱橋為工程背景，采用有限元軟件建立理論模型并進行動靜載試驗，將實測值與理論計算值進行比較分析，結果表明該拱橋承載能力能夠滿足汽-15級、掛-80荷載等級要求。

空腹式雙曲拱橋荷載試驗分析

1　概述

雙曲拱橋因主拱圈分期形成，其呈現出組合結構的受力特征，故整體性較弱。但其是將主拱圈以“化整為零”的方法按先后順序進行施工，再以“集零為整”的方式組合成承重的整體結構，它充分發揮了預制裝配的優點，可以不要拱架施工，節省木料，加快施工進度，而所耗用的工料又不多。本文的研究對象為某15孔連續空腹式雙曲拱橋（圖1），橋梁全長363.56m，15孔肋拱單孔凈跨徑為19.66m～24.60m，各孔跨徑長短不一，凈矢高2.50m，矢跨比為1/10～1/8，懸鏈線結構形式，拱軸系數m=2.24。邊小拱為板拱，凈跨徑為10.0m，凈矢高2.50m，矢跨比為1/4，圓弧線結構形式。橋面寬度：凈7.0+2×1.50m。主拱圈厚度為0.7m，采用200號混凝土。拱上建筑由混凝土立柱、橫墻和腹拱圈組成，腹拱圈為圓弧拱，跨徑為2.0m，腹拱圈厚度為0.2m。橋臺為漿砌塊石U型臺。原設計荷載：汽-13級、拖-60。洪水設計或然率為100年一遇。為了解橋跨主體結構在汽-15級、掛-80交通荷載等級作用下的實際受力狀態，評價結構的工作性能，對該橋第9跨和第15跨進行了靜動載試驗。

2　荷載試驗結果及分析

2.1靜載試驗

2.1.1靜載試驗工況及檢驗對象

根據該橋施工設計圖紙，應用有限元計算軟件進行建模計算，橋梁模型見圖2。以設計標準活載產生的該試驗項目的最不利效應值等效換算，確定所需的試驗荷載。然后根據橋跨結構受力特點，確定各跨試驗工況，具體見表1，各跨主要測試截面見圖3。由表2可知，該橋的試驗荷載效率η滿足文獻 ［2］基本荷載試驗規定的要求0.95≤η≤1.05。

圖2　某空腹式雙曲拱橋模型圖

圖3　試驗測試截面示意圖

2.1.2測點布置
應變測點布置：在各控制截面拱肋底面粘貼混凝土應變片進行測量，各控制截面應變測點布置見圖4。
撓度測點布置：在各控制截面拱肋對應的橋面位置架設塔尺進行測量，各控制截面撓度測點布置見圖5。
裂縫觀測：在第15跨拱頂截面拱肋橫向裂縫位置跨裂縫粘貼應變片進行測量。

圖1　某空腹式雙曲拱橋總體布置圖（單位：m）

表1　試驗測試內容

表2　靜力試驗荷載效率

圖4　各控制截面應變測點布置圖

圖5　各控制截面撓度測點布置圖

2.1.3靜載試驗結果及分析
在試驗加載工況作用下，各控制截面的實測撓度及其與理論計算值的比較如表3所示，實測應變及其與理論計算值的比較如表4所示。
經過橋梁靜載試驗，該橋第9跨拱頂截面撓度校驗系數為0.82～0.85，應變校驗系數為0.75～0.84；第9跨拱腳截面應變校驗系數為0.71～0.82；第15跨拱頂截面撓度校驗系數為0.74～0.78，應變校驗系數為0.70～0.85；第15跨拱腳截面應變校驗系數為0.72～0.84；各截面撓度和應變校驗系數均小于文獻［2］規定值1.00；各截面相對殘余撓度和相對殘余應變均小于文獻［2］規定值20%。

在工況7、8作用下，15#臺未發生水平位移。

在工況1、2作用下，第9跨拱頂截面的拱肋橫向裂縫最大開展寬度為0.025mm，卸載后均恢復。

表3　各控制截面撓度分析表

2.2動載試驗

2.2.1自振特性試驗工況

在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規則振源的情況下，測定橋跨結構由于橋址處風荷載、地脈動等隨機荷載激振而引起的橋跨結構微小振動響應，測試橋跨結構自振頻率和阻尼比，以分析橋跨結構自振特性。

2.2.2自振特性結果及分析

在各跨八分點位置橋面上放置脈動測點傳感器，實測的信號經FFT分析、模態分析，得到該雙曲拱橋的豎向1階自振頻率及振型。自振特性試驗表明，該橋實測豎向1階自振頻率為3.01Hz，大于理論計算值2.31Hz，實測振型與理論計算振型基本吻合。實測與計算豎向1階自振頻率及振型對比圖見圖6。

圖6　實測與計算豎向1階自振頻率及振型圖對比

表4　各控制截面應變分析表

2.2.3無障礙行車試驗工況

采用1輛載重汽車（單車總重約40t）分別以10km/h、20km/h和30km/h不同的車速通過橋跨結構，測試第9跨跨中截面的沖擊系數。

2.2.4無障礙行車試驗結果及分析

在不同車速（以10km/h、20km/h和30km/h）情況下，測得第9跨跨中截面跑車試驗撓度時程曲線如圖7所示。

由橋梁行車試驗可知，在單車（重約40t）不同行車速度10km/h、20km/h和30km/h作用下，實測的跑車沖擊系數分別為1.06、1.08和1.10，按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）中沖擊系數 μ的計算公式計算：當1.5Hz≤f≤14 Hz時，則1+μ=1+（0.1767lnf-0.0157）=1.13（這里f取橋面豎向一階頻率），可知實測沖擊系數小于規范值。

圖7　不同車速情況下跑車試驗撓度時程曲線

3　結論

通過對該雙曲拱橋的靜動載試驗結果和各項理論值進行比較和分析，得到荷載試驗結論如下：

（1）橋梁靜載試驗表明：該橋第9跨拱頂截面撓度校驗系數為0.82～0.85，應變校驗系數為0.75～0.84；第9跨拱腳截面應變校驗系數為0.71～0.82；第15跨拱頂截面撓度校驗系數為0.74～0.78，應變校驗系數為0.70～0.85；第15跨拱腳截面應變校驗系數為0.72～0.84；各截面撓度和應變校驗系數均小于文獻［2］規定值1.00；各截面相對殘余撓度和相對殘余應變均小于文獻［2］規定值20%。

在工況7、8作用下，15#臺未發生水平位移。

在工況1、2作用下，第9跨拱頂截面的拱肋橫向裂縫最大開展寬度為0.025mm，卸載后均恢復。

（2）橋梁動載試驗表明：該橋實測豎向1階自振頻率為3.01Hz，大于理論計算值2.31Hz，實測振型與理論計算振型基本吻合；在單車（重約40t）不同行車速度10km/h、20km/h和30km/h作用下，實測的跑車沖擊系數分別為1.06、1.08和1.10，小于理論計算值1.13，滿足規范要求。

綜上所述，該空腹式雙曲拱橋承載能力能夠滿足汽-15級、掛-80荷載等級要求。

［1］JTG D61-2005，公路圬工橋涵設計規范［S］.

［2］JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規程［S］.

［3］JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

［4］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.