多跨圬工拱桥震后荷载试验研究

刁 砚，黄 山

(西华大学,四川成都610039)

桥梁荷载试验是对于新建桥梁和既有桥梁的实际工作状态及承载能力最直接有效的检验办法。荷载试验分为静载和动载两种，静载是将静止的等效荷载(多用载重的车辆充当)作用于桥梁上的控制截面位置，同时对该截面的应变及挠度进行测试；而动载则是将移动的荷载作用于桥梁上以测试其在动荷载如车辆荷载通过时桥梁工作性能的方法[1,2]。

在试验之前还需进行理论计算，以前期计算结果制定试验方案并此作为现场试验过程中的控制指标。同时还会将理论计算值与试验值进行对比，以此判断桥梁结构的实际工作状态和承载能力[3]。

1 工程概况

雅安某多跨圬工拱桥(图1)是一座7跨30 m，总长239.4 m，桥面全宽12 m的圬工拱桥，每跨拱圈净跨为30 m，净矢高为6 m，矢跨比为1/5，拱圈厚0.8 m。由于修建时间较长，且经过雅安7.0级地震影响，本桥已发生了一定程度的病害，为全面检验桥梁结构的可靠性以及是否满足有关公路桥梁规范及设计要求[4、5]，进一步确定桥梁的承载能力和通行能力，为该桥下一步的维修和加固提供依据，该桥进行了动静载相结合的桥梁荷载试验。

图1 7×30 m多跨圬工拱桥

2 静载试验方案

该桥的荷载试验控制截面见图2。拱脚截面、L/4截面、拱顶截面静力加载试验，测试主要内容包括：

(1)第二跨(加载跨)拱脚截面、L/4截面和L/2截面的应力测试；

(2)第二跨(加载跨)L/2、L/4截面的挠度测试和第一跨(相邻跨)的L/2截面挠度测试。

图2 测试截面布置示意

因桥面行车道宽度为8.5 m，故静载试验每个控制截面都包括正载和偏载两种工况。

车辆加载位置和工况的确定原则及依据是：尽可能用最少的加载车辆使控制截面达到最大的试验荷载效率，该桥确定的试验加载截面及检测项目见表1。

表1 试验加载截面及测试项目

图3 工况一、工况二(拱脚截面最大负弯矩)

图4 工况三、工况四(L/4截面最大正弯矩)

图5 工况五、工况六(跨中截面最大正弯矩)

图6 试验荷载横桥向布置(单位：cm)

采用满堂支架进行应变测点布置，应变测点沿纵桥向布置于加载跨主拱圈L/2截面、L/4截面、拱脚截面。测试断面应变测点布置如图8所示。

图7 主拱圈测试断面布置图

挠度测点布置桥面上下游侧，观测结构竖向变位。测点布置见图8所示：

(a)第二跨(加载跨)

(b)第一跨(相邻跨)图8 测试截面挠度测点布置示意

3 静载试验结果与分析

3.1 挠度测试结果及校验系数

桥梁跨中截面在试验荷载作用下挠度试验值与计算值比较见表2，其中正值代表向下，负值代表向上，挠度测点编号见图8，其中，7、8号测点为相邻跨的跨中挠度测点，其代表了荷载加载时，相邻跨所受到的连拱效应影响。因篇幅有限，此处仅列出工况五、工况六的情况。

从上表中数据可以看出，测试截面在工况五、工况六下跨中挠度校验系数均小于1.0，表明其刚度满足公路—II级荷载等级要求，同时，偏载效应较小，但相邻拱跨之间有一定的连拱效应。

3.2 应力测试结果及校验系数

在试验荷载作用下，各控制截面在不同工况下的实测值与计算值比较见表3，因篇幅有限，此处仅列出跨中截面的情况，表中数据以受拉为正，受压为负，单位均为MPa。

表3 跨中截面应力试验值与计算值的比较

说明：其中/表示其绝对值过小，若计算则误差较大，故不计入。

从表3中数据可以看出，拱桥应力校验系数均小于1，表明其强度满足设计要求。

3.3 残余变形分析及裂缝观测

测试前、后对控制截面进行裂缝开展的检查，未发现有新裂缝的产生。

4 动载试验结果

4.1 自振特性测试结果

自振频率的计算采用有限元程序MIDAS/CIVIL[6]建模计算得到，有限元模型自振频率图见图9所示。

图9 桥梁自振频率有限元计算图(f=5.65 Hz)

自振频率的测试采用环境激励法测得，实测频谱图见图10所示。

图10 跨中截面自振频率实测图(f=4.49 Hz)

从计算值5.65 Hz与实测值4.49 Hz对比可以看出，结构自振频率实测值小于计算值，这是因为拱桥内部的一些缺陷降低了桥梁本身的刚度，使得拱桥自振频率偏小。

4.2 行车激振试验测试结果及分析

不同速度的无障碍行车和有障碍行车(跳车)激振下跨中截面激振图见图11、图12，因篇幅关系仅列出无障碍行车30 km/h和跨中跳车15 km/h激振。

图11 跨中截面无障碍行车30 km/h激振

图12 跨中截面跳车行车15 km/h激振

通过激振试验测得活载在以不同速度通过桥梁之后的激振波形图，活载动力增大系数(1+μ)，可根据测记的测点动挠度和动应变时程曲线进行整理分析。

通过模态软件的分析，在不同车速下，跨中截面的跳车冲击系数见表4。

表4 实测跨中截面动应力冲击系数(1+μ)

本次试验拱桥实测基频为f=4.49 Hz，由交通部《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)[5]的规定计算可得，该桥的冲击系数为1.25。

从试验数据结果分析可以看出：

跨中截面行车冲击系数最大数值为1.26，跨中截面跳车冲击系数最大数值为1.61，均大于规范计算值，冲击系数较大，行车时振动明显，考虑到桥面铺装层有多处损害，桥面破损和局部坑洼对行车有较大影响，造成行车对桥梁的冲击作用较大。

5 试验结论分析及建议

5.1 试验结论

(1)测试截面在各工况下跨中挠度及截面应力校验系数均小于1，表明其刚度和强度满足公路—Ⅱ级要求, 且偏载效应较小。

(2)实测结构基频为4.49 Hz，小于计算值5.65 Hz，表明结构内部的一些病害和缺陷对结构刚度有一定影响，使得频率有所下降。

(3)跨中截面跑车冲击系数最大数值为1.26，跨中截面跳车冲击最大数值为1.61，均大于规范计算值，说明桥梁结构行车性能较差，考虑到桥面铺装层有部分损害，桥面破损开裂和局部坑洼对行车有较大影响，造成行车对桥梁的冲击作用较大。

5.2 建议

通过对雅安地震后某多跨圬工拱桥的结构外观损伤检测及静动载试验，发现该桥出现了一定程度的病害和损伤，其中第二跨主拱圈和其余跨的腹拱圈砌缝出现了一定程度的渗水和砌缝空洞现象，因此必须采取一定的维修加固措施，对该桥进行维修加固，以保证桥梁的安全运营。

(1)为了提高桥梁构件的整体性，对检测中发现的裂缝进行封闭和裂缝治理。对砌体裂缝，采用高压压注水泥砂浆的方法进行治理,使之成为一体受力。

(2)对桥面铺装层进行整治，凿除破损开裂的桥面铺装，重新铺筑桥面铺装层，使行车平顺，减小因桥面不平所造成的跳车对桥梁的冲击作用。

(3)部分腹拱有较严重的渗水和砌缝空洞现象，为修补和增强腹拱的承载能力，建议可对腹拱采用U型套箍混凝土进行加固补强，同时，为了保证施工质量，确保新老结构共同作用，腹拱圈的套箍砼应采用自密实微膨胀砼，并在拱圈表面上植筋以增加新老结构的粘结。

本次通过对该拱桥的静动载试验，获得了该桥的结构现状及整体受力性能情况，为今后该桥的综合评估，修复、加固或重建提供了技术依据。

[1] 滑思庆，李刚，陈飞.简述桥梁荷载试验[J].山西建筑,2008,34(9)

[2] 代少敏,刘显陆.桥梁荷载试验要点评述与展望[J].交通标准化,2009,(6)

[3] YC4-4/1982大跨径混凝土桥梁的试验方法[S]

[4] JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S]

[5] JTG D61-2005公路圬工桥涵设计规范[S]

[6] 邱顺冬. 桥梁工程软件Midas Civil应用工程实例[M].北京: 人民交通出版社,2011