基于荷載試驗的某空腹式雙曲拱橋承載能力分析

■黃雪欽

(福建福大建設工程有限公司，福州 350004)

基于荷載試驗的某空腹式雙曲拱橋承載能力分析

■黃雪欽

(福建福大建設工程有限公司，福州 350004)

本文針對某空腹式雙曲拱橋主拱圈和橫向聯系裂縫等眾多病害，采用大型有限元分析軟件，建立雙曲拱橋的空間有限元模型進行靜力和動力分析，通過對比分析實測值與理論計算值來評價該橋的受力性能和承載能力狀況，為將來的舊橋加固與修復提供依據。

空腹式 雙曲拱橋 荷載試驗 承載能力

1 概述

雙曲拱橋是將主拱圈以“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，可以不需拱架施工，節省木料，加快施工進度，而所耗用的工料又不多，因此在我國公路橋梁建設中得到了廣泛的應用與推廣。但因主拱圈分期形成，其呈現出組合結構的受力特征，故整體性較弱，再加上超載等其他原因，目前大多數雙曲拱橋均出現了不同程度的損傷。因此，對受損雙曲拱橋的承載能力進行評估，對確保橋梁的安全運行具有重要意義。本文的研究對象某多跨連續空腹式雙曲拱橋 (圖1)，全長288.37m，設計橋型為7孔等跨連續雙曲拱，單孔凈跨徑為35m，凈矢高為7m，矢跨比1/5，采用懸鏈線結構形式，拱軸系數m=4.324。橋面布置為凈5m(行車道)+2×1.0m(人行道)，主拱圈厚度為1.00m，采用250號混凝土。拱上建筑由混凝土填料、橫墻和腹拱圈組成，腹拱圈為圓弧拱，直徑為2.5m，腹拱圈厚度為0.3m。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荷載作用下的實際受力狀態，評價結構承載能力，對該橋進行了試驗檢測。

2 外觀病害情況

利用橋檢車對該橋現有橋面系、上部結構和下部結構等部位進行外觀檢查，并對墩臺水下部分進行了水下探摸。具體情況如下：

(1）橋面系：全橋欄桿有3處破損，最大面積為0.12m×0.10m，1處欄桿斷裂，欄桿接頭大部分松動，砼老化；人行道板出現6處破損，最大面積為0.30m×0.50m。

(2）上部結構：橋面板有5處破損，最大面積5.00m×2.50m，并出現 14條縱向裂縫，縫寬 1.00～2.00mm，縫長2.00～6.00m。主拱圈微彎板共出現21條縱向裂縫，縫寬0.10～0.20mm，縫長 0.50～2.00m；全橋橫系梁錨頭螺栓均有不同程度生銹；橫系梁共有11處掉塊露筋，最大面積0.10m×0.50m。拱肋底面共出現5條橫向裂縫，縫寬0.08～0.10mm，縫長0.20～0.30m；拱肋共出現277條豎向裂縫，縫寬 0.08～0.20mm，縫長 0.10～0.75m，其中有 159條豎向裂縫位于側面，有87條豎向裂縫由側面延伸至底面0.05～0.25m，有31條豎向裂縫由側面貫通至底部。拱肋底面出現1處掉塊露筋，面積0.10m×0.35m。

(3）上部結構：1～6號墩基礎四周河床有不同程度沖刷，沖刷深度0.90～4.00m；1～6號墩水面下的墩身及基礎4個側面表體均長有一層青苔，厚度約0.5cm。

3 荷載試驗結果及分析

3.1 靜載試驗

3.1.1 靜載試驗工況及檢驗對象

圖1 某空腹式雙曲拱橋總體布置圖(單位：m)

根據該橋施工設計圖紙和外觀檢查結果，應用MIDAS計算軟件進行建模計算。拱橋建模主要關注的是拱上建筑的聯合作用、拱上填料剛度、邊腹拱支撐方式、腹拱剛度及結構受損 (主要是拱上建筑受損和主拱圈受損)對主拱圈受力的影響。建模過程進行了如下處理和假設：

(1）拱圈線形以及材質狀態采用現場實測值，提高了模擬的準確性；

(2）根據該拱橋的受力特點，將拱肋與拱波形成的組合截面作為主拱圈的截面，相鄰拱肋間采用鉸接處理；

(3）針對各構件裂縫、掉塊露筋等損傷病害，根據材料風化、碳化及物理化學損傷，對各構件采用截面尺寸折減，折減系數取0.95；

(4）將拱上建筑與拱上填料作為集中或分布荷載作用在主拱圈上。拱上填料按實際材料強度，兩端按照鉸接處理，不傳遞彎矩。按橋梁設計規范對拱橋施加活荷載，對橋梁進行力學性能計算。

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。該橋的靜載試驗荷載效率η滿足《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/T J21-01-2015)(后簡稱《規程》)的規定要求。

3.1.2 測點布置

(1）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。

(2）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。

(3）水平位移觀測：在7#臺起拱線處上下游分別安裝順橋向的位移計，觀測橋臺的順橋向水平位移。

(4）裂縫觀測：在第2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2 某空腹式雙曲拱橋模型圖

圖3 試驗測試截面示意圖(單位：m)

表1 試驗測試內容

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

3.1.3 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2所示，實測應變及其與理論計算值的比較如表3所示。

經過橋梁靜載試驗，該橋第2跨拱頂截面撓度校驗系數為0.53～0.54，應變校驗系數為0.44～0.62；第2跨L/4和3L/4截面撓度絕對值之和校驗系數為0.69～0.78，L/4截面應變校驗系數為0.59～0.72；第7跨拱頂截面撓度校驗系數為 0.50～0.52，應變校驗系數為 0.48～0.78；第 7跨拱腳截面拱肋底面應變校驗系數為0.42～0.54；各截面撓度校驗系數均處于《規程》規定的常值范圍(0.50～1.00)，應變校驗系數均低于或處于《規程》規定的常值范圍(0.50～0.90)；各截面相對殘余撓度和相對殘余應變均小于 《規程》規定值20%。

在工況5、6作用下，第7跨7#臺沒有發生水平位移。

在加載工況1、2作用下，第2跨拱頂截面各拱肋橫向裂縫最大開展寬度為0.005mm，卸載后均恢復。

表2 各控制截面撓度分析表

表3各控制截面應變分析表(每個工況僅列出最大η值的拱肋)

3.2 動載試驗

3.2.1 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。

3.2.2 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2.357Hz，大于理論計算值2.092Hz，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

3.2.3 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7跨跨中截面的沖擊系數。

3.2.4 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7跨跨中截面跑車試驗撓度時程曲線如圖7所示。

圖7 不同車速情況下跑車試驗撓度時程曲線

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1.02、1.02和1.07，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+(0.1716lnf-0.0157)=1.13(這里f取橋面豎向一階實測頻率)，可知實測沖擊系數小于規范值。

4 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2跨拱頂截面撓度校驗系數為 0.53～0.54，應變校驗系數為 0.44～0.62；第 2跨L/4和3L/4截面撓度絕對值之和校驗系數為0.69～0.78，L/4截面應變校驗系數為0.59～0.72；第7跨拱頂截面撓度校驗系數為0.50～0.52，應變校驗系數為0.48～0.78；第7跨拱腳截面拱肋底面應變校驗系數為0.42～0.54；各截面撓度校驗系數均處于 《規程》規定的常值范圍 (0.50～1.00)，應變校驗系數均低于或處于《規程》規定的常值范圍(0.50～0.90)；各截面相對殘余撓度和相對殘余應變均小于《公路舊橋承載能力鑒定方法》規定值20%。

在工況5、6作用下，第7跨7#臺沒有發生水平位移。

在加載工況1、2作用下，第2跨拱頂截面各拱肋橫向裂縫最大開展寬度為0.005mm，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2.357Hz，大于理論計算值2.092Hz，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1.02、1.02和1.07，小于理論計算值1.13，滿足規范要求。

(3）綜上所述，該空腹式雙曲拱橋結構工作性能狀況良好，承載能力能夠滿足汽-15、掛-80荷載等級要求。

[1]王敏強，王樂，張桓.空腹式雙曲拱橋有限元分析與試驗研究.武漢大學學報：工學報，2005，38(5)：88-93.

[2]戎澤生，邵永健.現役雙曲拱橋上部結構內力分析與試驗研究.福建建筑，2009(4).

[3]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[4]JTG/T J21-01-2015，公路橋梁荷載試驗規程[S].

[5]JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].