某危旧双曲拱桥静动力荷载试验研究

曹习明

(湖南涟邵建设工程(集团)有限责任公司，湖南 娄底 417000)

0 引言

双曲拱桥结构整体性较差，随着交通量飞速增长，大量带病运营的双曲拱桥的安全状况堪忧。为了保证桥梁的运营安全，避免跨桥的危险情况出现，需要对双曲拱桥进行外观检测和静动力荷载试验，检验双曲拱桥在长期运营后、在长期超载情况下的状况进行评估，确定其荷载等级，为桥梁的管养提供决策。

某双曲拱桥建成于1979年，投入运营至今已三十年，运营时间较长;桥梁上部构造为单孔净跨径25 m钢筋混凝土装配式双曲拱，主拱净矢高为2.5 m，净矢跨比为1/10。主拱圈横向11肋10波，两侧设悬半波，肋间设4道横系梁及3道横隔板横向连接，主拱上沿拱顶对称设有6个腹拱，腹拱墩均为柱式结构，腹拱圈由混凝土预制块拼砌而成，下部构造为扩大基础配重力式U形桥台(见图1)。

图1 双曲拱桥立面图

1 桥梁常规检测评估

根据规范要求，对该桥测定主要承重构件的混凝土强度、碳化深度、钢筋锈蚀状况、混凝土电阻率、混凝土氯离子含量、混凝土保护层厚度、钢筋分布等指标，并对规范规定的检查项目逐一进行了检查，为评定桥梁的使用安全性与耐久性提供基础数据等检查。

通过检查发现，桥梁的主要病害是桥面出现坑洼，影响桥面的平顺;副拱圈开裂;拱上填料渗水;拱肋拱脚处混凝土脱落，露筋锈蚀、拱顶湿接头脱空(见图2，图3)，严重影响了桥梁的整体性和结构承载能力。通过桥梁专项检测，测区的混凝土强度、氯离子含量、碳化深度、电阻率、钢筋的布置情况均满足规范的要求，处在较好的状态。

根据检测结果，进行桥梁结构检算，桥梁现状承载能力不能满足原设计荷载汽—20级，挂—100的荷载正常使用极限承载能力要求，也不能满足现行城市桥梁荷载城—B级的正常使用极限承载能力要求。

为了确定桥梁的承载能力，对桥梁进行静动力荷载试验，以确定桥梁的正常使用极限承载能力。

图2 主拱肋病害示意图

图3 4号拱肋拱顶空洞病害

2 桥梁静载试验研究

根据大桥的设计荷载，结合城市桥梁荷载规范、大桥目前的车流状态及道路状况，确定试验荷载为城—B。根据大桥的竣工资料，以及桥梁的检查信息，采用桥梁博士建立大桥的单片拱肋平面杆系模型，拱上填料及桥面铺装刚度取主拱肋的1/1 000，仅考虑其重力荷载及荷载传递作用。各拱肋的横向分布系数采用弹性支撑连续梁法进行计算。计算模型如图4所示。

图4 结构有限元模型图

采用检算荷载城—B作为试验基准荷载，试验时根据桥梁控制截面的设计最大内力值，采用等效荷载的原则，计算出试验等代荷载。根据计算，本桥的试验荷载效率见表1，从表1中可以看出试验加载效率满足《试验方法》要求。

表1 试验荷载效率表

大桥荷载试验工况包括:

1)拱顶控制截面最大正弯矩偏载;

2)0号台侧拱脚控制截面最大负弯矩偏载;

3)0号台侧拱脚控制截面最大负弯矩对称加载;

4)拱脚最大水平推力偏载。本文限于篇幅，主要讨论工况1。

根据检测结果，1号拱肋侧拱肋病害较为严重，因此选择拱顶最大正弯矩偏载工况设定在偏1号拱肋边。采用四辆三轴重车进行分两级加载，同时观测拱顶的应力和挠度。加载图如图5所示，测点布置图如图6所示。

图5 工况1加载示意图

图6 测点布置示意图

根据测到的应力和挠度数据，和理论值进行对比，得到结果如表2，表3所示。

表2 拱顶截面肋底钢筋应力结果表 MPa

表3 拱顶截面挠度结果表 mm

由表2可知，由于拱顶的湿接头空洞存在，拱肋的刚度很小，本该由4号拱肋承担的荷载大部分转移到3号和5号及其他拱肋承担，4号拱肋的校验系数仅为相邻拱肋的2/5左右。由表3可知，3号～6号拱肋的校验系数均大于1，但大桥的整体协调变形能力较好。

结合规范，在最大试验荷载作用下，试验桥跨控制截面最大应力的校验系数小于《试验方法》规定的1.10，但最大挠度的校验系数大于《试验方法》规定的1.10，表明在试验荷载作用下该桥强度满足而刚度不满足原试验基准的正常使用要求。拱肋拱顶的接头空洞的存在严重影响了大桥的承载能力。

3 大桥动荷载试验研究

桥梁结构的动力除与桥梁本身及荷载的动力特性有关外，还与桥面平整度及车辆运行状况等因素有关，所以通过动力荷载试验测定结构在动力荷载作用下的强迫振动反应，可以判断结构的动力特性。

动态测试采用的主要仪器有:AZ－108型动态数据采集仪、AZ－808型放大及滤波器、TS3832型动态应变数据采集仪、笔记本电脑、CRAS动态信号采集分析软件系统、941－B型垂直向振动传感器。动载试验选用一辆静载试验用重车作为激振设备，车辆总重约为30 t。

在桥梁第1跨(0号台～1号墩)八分跨各截面处各布置一个模态测点，共布置9个模态测点;在桥梁第1跨的0.5L截面处布置一个动位移测点，共布置1个动位移测点进行跑车、跳车和刹车测试。布置示意图如图7所示。

图7 试验桥跨模态测点及动位移测点布置图

通过试验数据处理，得到各种工况下的冲击系数表，如表4所示，从表中数据可以看出，大桥跑车时冲击系数最大达到1.30，结果表明实测冲击系数偏大，分析其原因主要是由于桥面铺装层严重破损造成重车行驶时产生较大的冲击。

表4 不同车速下冲击系数观测结果表

通过大桥的脉动试验，进行模态参数的试验分析，得到大桥前两阶的模态结果，见表5，通过表5数据分析，可以得知，实测值与理论校验系数之比为0.92，小于规范的参考值1.2，表明该桥上部结构刚度整体上处于较差状态。

表5 大桥振动参数

4 结语

通过桥梁的静动力荷载试验，对旧双曲拱桥的病害进行了检查，根据检查结果，针对性的进行了桥梁静力和动力荷载试验。通过试验得到如下结论:

1)在桥梁的病害中，控制截面的空洞和裂缝对桥梁的整体刚度和承载能力危害巨大，如有发现须尽快维修加固;

2)测到的模态频率与理论频率比较小，大桥的整体刚度偏低，需要将大桥的裂缝和空洞修复后再次试验，大桥的动力性能测试结果反映了桥梁的目前状态。

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