某剛架拱橋的仿真模擬與靜載試驗研究

摘 要：【目的】以某剛架拱橋為研究對象，測試其靜力和動力特性，以評估其工作狀態和安全性能。【方法】結合靜動載試驗，進行橋梁結構在荷載作用下的振動頻率、變形、應變的實際響應研究，并與有限元分析結果進行比較。【結果】根據實測與模型的前六階頻率，求得前六階頻率比在0.913～1.005之間，各控制截面測點應變校驗系數在0.24～1.56之間，變形校驗系數在0.48～1.14之間。【結論】從頻率看，橋梁整體結構的動力性能較弱，整體剛度不足；從撓度測試結果看，基本能滿足承載力要求，橫向聯系較弱；從應變結果看，橋梁承載能力不滿足要求。因此該橋安全性能不滿足要求，應立即采取措施限制重車通行。

關鍵詞：剛架拱橋；荷載試驗；仿真模擬；承載能力；評價

中圖分類號：U448.22" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）05-0080-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.05.015

Simulation and Static Load Test of a Rigid Frame Arch Bridge

MAO Fuchao

（Shandong Beiqi Engineering Construction Co.， Ltd.， Jinan 250000， China）

Abstract： [Purposes] Taking a rigid frame arch bridge as the research object， its static and dynamic characteristics were tested， and its working state and safety performance were evaluated. [Methods] Combined with static and dynamic load tests， the actual response of the vibration frequency， deformation and strain of the bridge structure under load was studied and compared with the results of finite element analysis.[Findings] The ratio of the first six frequencies measured and the first six frequencies obtained by the model was between 0.913 and 1.005. The strain calibration coefficient of each control section was between 0.24 and 1.56， and the deformation calibration coefficient was between 0.48 and 1.14.[Conclusions] From the frequency point of view， the dynamic performance of the overall structure of the bridge is weak， and the overall stiffness is insufficient. From the deflection test results， the bearing capacity requirements can basically be met， and the lateral contact is weak. From the strain results， the bearing capacity of the bridge does not meet the requirements. Therefore， the safety performance of the bridge does not meet the requirements， and measures should be taken immediately to limit the passage of heavy vehicles.

Keywords： rigid frame arch bridge; load test; simulation; bearing capacity; evaluation

0 引言

剛架拱橋是我國橋梁工程師20世紀80年代初在雙曲拱橋、桁架拱橋、肋拱橋和斜腿剛構橋的基礎上創造性地設計出的一種新型輕型拱橋，屬于有推力的高次超靜定結構。這種橋型具有構件少、質量輕、整體性好、剛度大、施工簡便、造價低、造型美觀等優點，廣泛應用于跨徑25～70 m的橋梁中，且在我國部分地區占有相當大的數量。但現在這類橋梁出現了不同程度的病害［1］，主要病害為現澆節點、弦桿、拱腿、實腹段等出現裂縫［2］，同時在運營過程中發現在重車作用下會出現令人不適的振動和晃動，有的甚至出現局部振害，病害原因主要是汽車超載和結構整體性差［3］，已經嚴重影響了交通發展和人民群眾的生命安全，通過對剛架橋承載能力進行研究，可以有效減少生命財產損失。所以對鋼架拱橋的承載能力和結構安全性進行評估很有必要。本研究以某鋼筋混凝土剛架拱橋為工程實例，通過對其進行仿真模擬及靜載試驗來分析該橋梁的承載能力。

1 工程背景

該橋位于新疆維吾爾自治區，是東西走向的鋼筋混凝土剛架拱橋，建于1994年，跨徑50 m，矢跨比為1/10，設計荷載標準為汽車—超20級、掛車—120，橋面寬度布置為16.5 m快車道+2×3.25 m分隔帶+2×6 m慢車道+2×1.5 m分隔帶+2×4.0 m人行道=46 m。

該橋按3幅布置，中間為快車道橋，兩側的慢車道和人行道各合并為一幅橋。該橋位于圓曲線內（R=800 m），且有0.3%的縱坡，設計中拱片正置，快、慢車道之間懸臂板按直線設計，防撞護欄按曲線布設，人行道外側的曲線由現澆翼板形成。該橋上部構造除橋面、翼板、填平層及接頭為現澆混凝土外，其余均為預制混凝土構件。

該橋拱片現澆接頭采用C35混凝土，拱片、微彎板、現澆混凝土填平層、現澆翼板拱座、橋頭搭板采用C30混凝土，橋面鋪裝采用C30防水混凝土，欄桿、扶手、防撞護欄基座采用C25混凝土，橋臺側墻、前墻及臺身采用C20混凝土，橋臺基礎采用C15混凝土。本研究以中幅橋為例進行分析計算，中幅橋結構布置示意如圖1所示。

根據該橋的現場調查情況，該剛架拱橋的病害主要有以下幾種：①微彎板和橋面板有大量橫向和縱向裂縫，以縱向裂縫居多，跨中部位較明顯，橋面板混凝土腐蝕現象嚴重；②橫系梁有明顯豎向裂縫和混凝土脫落現象；③拱片跨中均出現嚴重豎向裂縫，拱片連接處鋼板嚴重腐蝕；④各拱片和斜撐連接處混凝土部分出現剝落現象，有修復和水泥砂漿涂抹痕跡。

2 結構仿真模擬

2.1 模型建立

本研究基于橋梁專用軟件Midas Civil建立了剛架拱橋空間有限元模型，全橋構件采用三維梁單元模擬。全橋共劃分1 246個節點，2 052個單元，其中梁單元1 332個，橋面板單元720個。該模型不考慮微彎板對全橋橫向剛度的貢獻，將拱頂部位的微彎板連同微彎板頂部填料簡化為橫向變截面連續梁。橫系梁也采用梁單元。邊界條件為成橋狀態下的約束，即拱腿、斜撐邊界剛接，邊弦桿為豎向簡支。在動力特性分析計算中，上述均布荷載自動轉化為質量節點分布在橋面各節點上。全橋結構有限元模型如圖2所示。

2.2 動力特性分析

橋梁結構的動力特性可反映結構的整體剛度及耗散外部振動能量輸入的能力，同時，過大的動力響應會影響車輛安全行駛，應予以設法避免。橋梁動荷載試驗采用脈動試驗方式，利用外界各種因素所引起的結構微小而不規則的振動來確定結構的動力特性。動載測試采用DASP2010采集及分析系統對橋梁進行采樣，根據橋梁長度布置8個動測傳感器。實測前六階頻率與模型，求得前六階頻率對比見表1，根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2001）確定自振頻率評定標度。由有限元模型可求得各階振型，該橋由模型求得的前六階振型如圖3所示。

3 靜載試驗

橋梁荷載試驗分為靜載試驗和動載試驗，其中靜載試驗是按照預定的試驗目的及方案，將靜止的荷載作用在橋梁的指定位置上，觀測橋梁結構的靜力位移及應變、裂縫等參量的變化，再根據有關規范規程指標判斷橋梁結構在荷載作用下的工作性能及使用能力［4］。橋梁荷載試驗的目的是檢驗橋梁設計與施工質量，判斷橋梁結構的實際承載能力，以及驗證橋梁結構設計理論及方法是否合理，并進行橋梁承載能力評定［5］。對既有舊橋進行荷載試驗是評定舊、危橋承載能力的主要方法之一［6］。

3.1 試驗設計工況

3種試驗加載車前后軸的軸重見表2。

中幅橋為雙向四車道快速車道，橫向從上游至下游依次記為a、b、c、d車道，其中a、b車道為自西向東，c、d車道為自東向西，共設計了8種加載工況：工況一，1號車后軸中心線位于b車道L/4處（L為橋長，下同）。工況二：1號車后軸中心線位于b車道L/2處；工況三，1號車后軸中心線位于c車道L/2處；工況四，1號車后軸中心線位于c車道L/4處；工況五，1號車后軸中心線位于a車道L/4處，2號車后軸中心線位于b車道L/4處；工況六，1號車后軸中心線位于a車道L/2處，2號車后軸中心線位于b車道L/2處；工況七，2號車后軸中心線位于c車道L/4處，3號車后軸中心線位于c車道L/2處；工況八，1號車后軸中心線位于c車道L/4處，3號車后軸中心線位于c車道L/2處，2號車后軸中心線位于b車道L/4處。工況一和工況八加載如圖4所示。

中幅橋共設33個應變測點，測點布置如圖5所示，其中29～33測點位于小拱腿上，22～28測點位于拱腿的拱腳處。中幅橋共設置10個撓度測點。

3.2 試驗結果與分析

實測撓度與理論計算結果見表3。應變測點均從下游至上游（從南到北）編號，工況七條件下應變實測與理論結果見表4，其中斜撐處布置了5個測點如圖5（a）所示，L/8處存在1個壞點。

4 結論

通過荷載試驗及理論分析結果，可以得出以下結論：①由外觀檢測結果可知，該橋存在多處嚴重病害，在拱圈的橫縱向和拱波與拱肋結合處均出現寬度超過1 mm的裂縫，超過了《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中裂縫的允許最大寬度。且根據《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T J21—2001）對該橋進行綜合評定，總體得分77.7分，屬于3類橋，有中等缺陷。②從該橋的基頻看，不滿足我國規定的中小跨徑橋梁頻率不小于3 Hz的要求，說明橋梁整體剛度不足。前5階實測頻率小于理論計算頻率，前5階評定標度為3，也說明橋梁整體結構的動力性能較弱，整體剛度不足。③在靜荷載作用下，根據撓度測試結果，只有3處校驗系數大于1，基本能滿足承載力要求，說明該橋梁仍具有正常使用的承載能力。但通過在同一工況下截面撓度沿橫向的分布情況可知，直接受力的梁撓度較其他梁的撓度檢驗系數偏大，說明橋梁橫向聯系較弱。④在靜荷載作用下，根據應變測試結果，主要測點校驗系數大于1，根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2001）判定橋梁承載能力不滿足要求。加載車輛所在的拱肋實測應變值較大，遠離加載車輛的拱肋實測應變相對較小，說明橋梁各拱肋之間的橫向聯系偏弱，引起直接受力的拱肋應力局部偏大。

參考文獻：

［1］蔡紀鋒.剛架拱橋病害成因分析與加固設計對策［J］.公路交通科技（應用技術版），2008（7）：5-8.

［2］張陽春，冉純.剛架拱橋常見病害和處治措施［J］.交通世界，2019（26）：109-110.

［3］劉云川，劉建民，王志輝.剛架拱橋病害特點與防治對策［J］.山東交通學院學報，2006（2）：26-28，37.

［4］張俊平.橋梁檢測［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［5］郭明泉，姜海波，陳榮卓，等.基于靜動載試驗的某連續剛架拱橋承載能力評定［J］.廣東土木與建筑，2008（8）：59-62.

［6］張惠勤，呂長榮.剛架拱橋的檢測與承載能力評定［J］.山東交通學院學報，2009，17（2）：56-62.