在役鋼筋混凝土肋拱橋荷載試驗研究

李 恒 蘇 鵬 魏景和 陽 浩

(廣東縱橫工程檢測有限公司，廣東 佛山 528000)

1 概述

鋼筋混凝土拱橋具有造型美觀、節省材料等優點，在橋梁工程特別是公路橋梁工程中得到較為廣泛的應用[1]。自20世紀70年代以來我國修建了大量的鋼筋混凝土肋拱橋，然而該橋型存在肋拱間橫向聯系偏弱、剛度偏小等缺陷，導致肋拱橋整體受力性能較差，其正常使用性能和超載能力較一般拱橋差。另一方面，現役鋼筋混凝土拱橋普遍由于修筑時間較早，設計標準等級偏低，加之現有交通量迅速增加，車輛超載等問題[2]，隨著使用年限的增長逐漸出現不同程度的損傷病害，橋梁承載能力和耐久性能難以適應現有交通環境，嚴重制約了我國公路等級改造提升。因此掌握鋼筋混凝土肋拱橋目前的承載能力狀況并對其進行合理評估，對現有橋梁的安全運營及管理養護具有重要工程意義[3]。

2 工程概況

七星工業園閘邊橋修建于20世紀90年代，位于佛山市南海區。橋梁全長22.4 m，跨徑組合為1×21.70 m，上部結構為鋼筋混凝土無鉸拱橋，橫橋向由8片拱肋構成，橋梁矢跨比約為1/7，橋寬15.2 m，肋間中心距1.9 m，拱肋截面為0.25 m×0.4 m。荷載設計等級為汽車—15級，掛—80。橋梁實景見圖1，圖2。

3 靜載試驗

橋梁可以靜載試驗主要測試試驗橋跨結構的控制截面在最不利荷載作用下的應變、位移和裂縫，通過實測值與有限元軟件分析的理論值進行對比，分析判斷橋梁受力狀態。

通過有限元軟件計算得出橋梁設計彎矩和試驗彎矩，分析模型見圖3。考慮到現場組織標準車隊困難，采用彎矩等效原則，采用2臺總重27.6 t的三軸汽車加載，每個工況分四級加載，控制截面如圖4所示。根據測試橋梁結構的內力包絡圖，并考慮應力分布，按照最不利受力原則選定測試截面，然后擬定相應的試驗工況，本次工況Ⅰ～Ⅱ測試截面設計、試驗彎矩和試驗荷載效率如表1所示，表中的數據表明試驗荷載效率ηq取值范圍為0.95～1.05，滿足檢測規范[4]要求。工況Ⅰ在拱頂截面橫橋向沿拱肋底面布置8個撓度測點，每片拱肋底面各布置1個應變測點，工況Ⅱ在拱腳截面位置，拱肋頂面分別各布置1個測點。

表1 試驗彎矩和試驗荷載效率

3.1 靜載試驗結果

本次靜載試驗在最大級荷載作用下各截面實測位移(應變)彈性值與理論值比較圖如圖5～圖8所示，撓度與應變校驗系數和殘余變形評定匯總表如表2，表3所示。

表2 撓度與應變校驗系數匯總表

表3 殘余變形評定匯總表

3.2 靜載試驗分析

1)由圖5～圖8可知，最不利荷載作用下各肋板實測位移(應變)彈性值與理論計算值變化趨勢基本一致，由表2和表3可知實測彈性位移(應變)值小于理論計算值且校驗系數小于1，殘余變形相對值小于0.02，說明橋梁結構強度和剛度均滿足規范[4]和設計荷載汽車—15級的正常使用要求。2)實測撓跨比為2.6×10-3/21.7=1.20×10-4，小于設計規范[5]允許的1/600=1.67×10-3，結構剛度滿足規范要求。3)由圖8可知，在偏載作用下，7根肋的實測橫向分布系數總體變化趨勢和理論計算值基本一致，實測橫向分布系數小于理論計算值說明橫系梁連接性能大于理論值。

4 動載試驗

動載試驗主要用于綜合了解結構自身的動力特性以及結構抵抗受迫振動和突發荷載作用的能力，以判斷結構的實際工作狀態，同時也為使用階段結構評估積累原始數據[4]。

4.1 動載試驗結果

本次動載試驗主要提取了橋梁結構在環境荷載和行車試驗荷載下各參數實驗結果，具體結果見表4，表5。

表4 自振特性測試結果

表5 跑車作用下的實測數據

4.2 動載試驗分析

1)由表4可知，試驗橋跨實測自振頻率均大于理論計算值，說明結構實際剛度大于理論值；2)由表5可知，沖擊系數小于理論沖擊系數0.176 7ln15.62-0.015 7=0.47，隨著跑車速度的提高，試驗橋跨受迫振動速度和沖擊系數有明顯的提升；阻尼比和加速度與跑車速度沒有明顯的相關性。

5 結論

通過本次靜動載試驗、理論計算和計算評估可以得出以下結論：1)在最大級荷載作用下橋梁結構處于彈性工作狀態，橋梁剛度和強度均能滿足設計要求。2)結構整體剛度大于理論值，沖擊系數小于理論值，橋跨結構動力性能良好。3)肋拱橋橫向分布特征值直接影響拱肋受力狀態，對橋梁整體受力至關重要，在設計和施工中應該加強橫向連接，保持橋梁整體性能。