不等跨连续双曲拱桥试验检测和承载力评价

■王达龙

（1.福建省交通科学技术研究所；2.福建省公路、水运工程重点实验室，福州　350004）

不等跨连续双曲拱桥试验检测和承载力评价

■王达龙1，2

（1.福建省交通科学技术研究所；2.福建省公路、水运工程重点实验室，福州350004）

本文以9孔不等跨连续双曲拱桥为例，采用有限元软件建立结构模型，通过静载试验和动载试验，将实测结果与理论结果比较,对该桥跨结构承载能力进行评价。结果表明该桥承载能力能满足汽车-20级、挂车-100设计荷载等级要求。

不等跨双曲拱试验分析承载力评价

1　工程概况

某大桥为70年代初期所建，后于2001年进行加固改造。该桥为22.10m+25.60m+7×22.10m 9孔不等跨连续双曲拱桥，主拱圈为等截面悬链线无铰拱，净跨径为19.50（两边孔）、22.70m（主孔）及20.00m。净矢跨比F0/L0= 1/6，拱轴系数m=3.5。桥面宽度为2.5m（人行道）+7.0m（行车道）+1.5m（分隔带）。拱圈高度：除L0=22.70m的主拱高度为71cm外，其余各孔高69cm。腹拱为圆弧拱，净跨径为1.60m及2.00m两种，净矢跨比均为F0/L0=1/4。拱圈由7拱6波组成，拱肋为250#钢筋混凝土，橫系梁及上部构造为200#钢筋混凝土。设计荷载：汽车-20级、挂车-100。

通过对该桥进行静动载试验和承载能力评定，评价该桥承载能力是否满足汽车-20级、挂车-100设计荷载等级要求。

桥跨结构布置图如图1。

2　试验结果及分析

2.1静载试验

2.1.1试验工况

根据各桥跨结构受力特点和病害情况，选取第1跨～第4跨进行试验，具体如表1，主要测试截面如图2。

2.1.2测点布置

（1）挠度测点：第1跨跨中截面（Ⅰ-Ⅰ）、第2跨L/4截面（Ⅱ-Ⅱ）、第2跨3L/4截面（Ⅲ-Ⅲ）、第2跨跨中截面（Ⅳ-Ⅳ）、第3跨跨中截面（Ⅴ-Ⅴ）、第4跨跨中截面（Ⅵ-Ⅵ）。挠度测点布置如图3。

表1　静载试验加载工况

（2）应变测点：第1跨跨中截面（Ⅰ-Ⅰ）、第2跨L/4截面（Ⅱ-Ⅱ）、第2跨跨中截面（Ⅳ-Ⅳ）、第3跨跨中截面（Ⅴ-Ⅴ）、第4跨跨中截面（Ⅵ-Ⅵ）、3#墩3跨侧截面（Ⅷ-Ⅷ）。应变测点布置如图4所示。

2.1.3桥梁承载能力的评定方法

（1）校验系数

校验系数η是评定结构工作状况，确定桥梁承载能力的一个重要指标，可以从中判定桥梁结构的承载能力的工作状态。实测结构校验系数η是试验的实测值与理论计算值的应力或挠度之比，它反映结构的实际工作状态。

对于应力，则：

对于挠度，则：

η值越小说明结构的安全储备越大，但η值不宜过大或过小，如η值过大说明组成结构的材料强度可能较低，结构各部分联结性能较差，刚度较低等。η值过小可能说明组成结构材料的实际强度及弹性模量较大，梁桥的混凝土铺装及人行道等与主梁共同受力，支座摩擦力对结构受力的有利影响，以及计算理论或简化的计算图式偏于安全等等。另外，试验加载物的称量误差、仪表的观测误差等对η值也有一定的影响。

（2）相对残余变位（或应变）

残余变位（或残余应变）按下列下公式计算：总变位（或总应变）St＝Sl－Si

弹性变位（或弹性应变）Se＝Sl－Su

残余变位（或残余应变）Sp＝St－Se＝Su－Si式中，Si——加载前测值；

Sl——加载达到稳定时测值；

Su——卸载后达到稳定时测值。

引入相对残余变位（或应变）的概念描述结构整体或局部进入塑性工作状态的程度。

相对残余变位（或应变）按下式计算：S′p=Sp/St×100%

式中，S′p——相对残余变位（或应变），Sp、St意义同前。

2.1.4静载试验结果

（1）从表2可以看出，在试验荷载作用下，第1跨跨中截面挠度校验系数分别为0.62～0.76，相对残余挠度最大值为11.3%；第2跨跨中截面挠度校验系数分别为0.73～0.79，相对残余挠度最大值为9.6%；第3跨跨中截面挠度校验系数分别为0.68～0.76，相对残余挠度最大值为10.1%；第4跨跨中截面挠度校验系数分别为0.70～0.82，相对残余挠度最大值为10.3%；第2跨L/4截面挠度绝对值之和的校验系数分别为0.65～0.70，相对残余挠度最大值为17.6%。各测试截面挠度校验系数均小于《规程》［1］规定的限值1.00，相对残余挠度最大值均小于《规程》规定的20%。

表2　（1）各工况挠度分析

表2　（2）　各工况挠度分析

（2）应变分析如表3所示。

表3　各工况应变分析

从表3可以看出，在试验荷载作用下，第1跨跨中截面应变校验系数为0.70～0.74，相对残余应变最大值为6.8%；第2跨L/4截面应变校验系数为0.57～0.70，相对残余应变最大值为10.0%；第2跨跨中截面应变校验系数为0.66～0.82，相对残余应变最大值为8.1%；第3跨跨中截面应变校验系数为0.73～0.77，相对残余应变最大值为7.7%；第4跨跨中截面应变校验系数为0.61～0.74，相对残余应变最大值为8.1%；3#墩3跨侧截面应变校验系数为0.62～0.73，相对残余应变最大值为8.8%。各测试截面应变校验系数均小于《规程》规定的限值1.00，相对残余应变最大值均小于《规程》规定的20%。

2.2动载试验

2.2.1测点布置

（1）自振特性试验

在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，在各跨支点、L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8截面相对应的桥面上，沿右侧置放脉动测点传感器，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动等随机荷载激振而引起的微小振动响应，测试桥跨结构自振频率和振型，以分析桥跨结构自振特性。

（2）无障碍行车试验

采用1辆载重汽车分别以10km/h、20km/h和30km/h的车速通过桥跨结构，测试该桥跨2-4拱肋的动应变，分析其冲击系数。

2.2.2动载试验结果

（1）自振特性试验结果

实测的信号经FFT分析、模态分析表明，该桥跨结构竖向1阶频率实测值fmi与理论值fdi的比值为0.94，实测振型与理论计算振型相似，如图5。

（2）无障碍行车试验结果

在不同车速情况下，测得2-4拱肋跨中截面冲击系数见表4。

表4　拱肋跨中截面冲击系数和动应变

从表4可以看出，在行车速度为10km/h、20km/h和30km/h情况下，2-4拱肋跨中截面的跑车冲击系数换算成标准车列后为1.16、1.08和1.14，按《公路桥涵设计通用规范》［2］（JTG D60-2004）中冲击系数μ的计算公式计算：当1.5Hz≤f≤14Hz，1+μ=1+（0.1767lnf-0.0157）（这里f取竖向1阶频率），可得该桥跨跨中截面理论冲击系数1+μ为1.25，可知实测冲击系数小于规范值。

3　结论

通过静载与动载实验结果与理论计算相比较，得到如下结论：

（1）静载试验结果表明：在试验工况荷载作用下，桥跨结构各测试截面挠度与应变校验系数均小于或处于《大跨径混凝土桥梁的试验方法》规定的常值范围，相对残余挠度均小于《大跨径混凝土桥梁的试验方法》［3］规定的20%。

（2）动载试验结果表明：该桥跨实测竖向1阶自振频率略大于理论计算值，实测振型和理论振型一致。实测相当于标准汽车荷载的最大冲击系数小于规范值，桥梁冲击效应较明显。

（3）综上所述，该桥承载能力目前能满足汽车-20级、挂车-100设计荷载等级要求。

［1］JTG/T J21-2011，公路桥梁承载能力检测评定规程［S］.

［2］JTG D60-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［3］大跨径混凝土桥梁的试验方法［S］，1982.