基于荷载试验的刚架拱桥承载能力分析

■钟　华

（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　35004）

基于荷载试验的刚架拱桥承载能力分析

■钟华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35004）

本文以某刚架拱桥为背景，根据刚架拱桥结构受力特点，阐明了刚架拱桥荷载试验测试内容和试验测点布置方法，测出了静载试验的挠度和应变变化以及动载试验的自振频率和冲击系数，通过对检测数据的整理与分析，评定该桥承载能力是否满足设计荷载要求，为同类桥型的荷载试验提供思路。

刚架拱桥荷载试验挠度应变自振频率冲击系数承载能力

桥梁检测荷载试验是将标准设计荷载的等效荷载施加于桥梁结构的指定位置，检测桥梁相关参数。桥梁荷载试验分为静力荷载试验和动力荷载试验。静荷载试验能反映桥梁结构的实际工作受力状态，动荷载试验则能反映出车辆荷载作用下桥梁结构动力特性［1］。为了评定该桥承载能力是否满足设计荷载要求，为同类桥型的设计、施工及荷载试验积累经验，进行荷载试验研究。

1　工程概况

某刚架拱桥全长253.43m。桥净宽为2×7.0m（车行道）+1.0m（中央分隔带）+2×2.5m（人行道）=20.0m。上部结构为4孔净跨50m钢筋混凝土刚架拱桥，净矢跨比f0/ L0=1/8。两岸组合式桥台采用10m钢筋混凝土空心板梁。拱片混凝土设计标号为30号。两桥台台身采用5号浆砌片块石，其余均为15号片石混凝土填心、料石镶面的重力式桥台。墩台基础均为5号片石混凝土明挖扩大基础。该桥设计荷载为汽-20级、挂-100，人群荷载为3.5kN/m2。桥梁平面布置图如图1和图2所示。

图1　刚架拱桥立面图

2　有限元模型

本次试验根据该桥维修工程施工图纸和现场实测资料，基于梁格法理论［2］，应用有限元软件Midas进行建模计算。主梁结构采用梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟，其中拱腿、斜撑及横向连接均采用杆单元模拟。桥梁模型如图3所示。

图2　刚架拱桥横断面图

图3　刚架拱桥计算模型

3　静载试验

3.1试验工况及测点布置

根据现场检测条件、桥跨结构受力特点和外观检测结果，挑选外观最不利跨第2跨进行荷载试验，各种试验工况具体如表1所示。

表1　试验测试内容

测点布置应根据测试截面以及测试内容合理布置，并应能够反映桥梁结构的受力特征。该桥主要控制截面的挠度测点布置如图4所示，应变测点布置如图5所示。

图4　刚架拱桥各控制截面挠度测点布置图（单位：cm）

图5　刚架拱桥各控制截面应变测点布置图（单位：cm）

3.2静载试验结果

3.2.1荷载试验效率

荷载试验应尽量采用与控制荷载相同的荷载，而当试验荷载与控制荷载有差别时，为保证试验效果，应采用静载试验效率 控制。

以汽-20级、挂-100活载产生的该试验项目的最不利效应值等效换算，确定所需的试验荷载。由表2可知，该桥的静载试验荷载效率 满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011，简称规程）［3］静力荷载效率规定要求。

表2　静载试验荷载效率计算一览表

3.2.2试验车辆

综合试验荷载效率、与设计荷载的等效性及车辆的机动性，本次试验采用3辆重约42t的车辆进行等效加载，加载车辆轴重如表3所示，各工况的加载布置如图6所示。

表3　试验加载车辆轴重表

图6　各工况车辆加载布置图（单位：m）

3.2.3挠度测试结果与分析

在试验加载工况作用下，桥梁第2跨跨中正弯矩截面挠度校验系数见表4。

从表4可以看出，第2跨跨中最大正弯矩截面挠度校验系数为0.63～0.98，相对残余挠度最大值为4.6%。挠度校验系数均大于《规程》规定值1.0，相对残余挠度均小于《规程》规定值20%。

3.2.4应变测试结果与分析

在试验加载工况作用下，桥梁第2跨各工况控制截面的应变实测值及其与理论计算值的比较如表5～7所示，第2跨跨中截面应变校验系数为0.59～0.98，相对残余应变最大值为5.1%；第2跨结点负弯矩截面应变校验系数为0.60～0.96，相对残余应变最大值为8.6%；第2跨拱腿最大负弯矩截面应变校验系数为0.60～0.88，相对残余应变最大值为11.4%。

各截面应变校检系数部分大于《规程》规定值1.0，相对残余应变均小于《规程》规定值20%。

综上结果，各控制截面测试的挠度和应变值均小于理论值，表明荷载试验过程中桥梁结构的刚度和工作性能达到设计要求。挠度和应变的校验系数与相对残余值均在规定限值内，表明桥梁在荷载作用下处于弹性范围内。

4　动载试验

4.1自振特性试验

通过脉动试验，测定桥跨结构的竖向自振频率，了解桥跨结构竖向自振特性。在全桥桥跨支点、L/8、2L/8、3L/ 8、4L/8、5L/8、6L/8和7L/8截面相对应的桥面上，沿右侧放置脉动测点传感器。

对实测的信号经FFT分析、模态分析，得到该桥的竖向1阶自振频率，实测和计算的自振特性参数如表8所示。

表4　第2跨跨中截面挠度实测值及其与理论计算值比较表

表5　第2跨跨中截面应变分析表

表6　第2跨结点负弯矩截面应变分析表

表7　第2跨拱腿最大负弯矩截面应变分析表

表8　竖向自振频率分析

自振特性试验表明，该桥实测竖向1阶自振频率为4.05Hz，大于理论计算值3.11Hz，阻尼比为0.81%，实测振型与理论计算振型基本吻合。表明桥梁整体刚度处于良好状况。

4.2无障碍行车试验

用一辆载重汽车（单车总重约42t）以20km/h、30km/ h、40km/h不同的速度于桥面左侧行驶，测试第2跨跨中最大正弯矩截面冲击系数，评估结构动力反应。测得截面冲击系数如表9所示。

表9　第2跨跨中最大正弯矩截面冲击系数

从表9可以看出，在行车速度20km/h、30km/h、40km/ h情况下，第2跨跨中最大正弯矩截面处测得冲击响应换算成标准车列后，实测的跑车冲击系数为1.03、1.06和 1.09，按《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021-89）中冲击系数μ的计算公式计算：20m≤L≤70m时，则1+μ=1+（70-50）/（50-20）×0.2=1.13（L=50m取该桥净跨），可知实测冲击系数均小于规范值1.13。表明该桥的动力性能良好，随着车速的增大，冲击系数呈增大趋势。

5　结论

综上分析可知，该桥荷载试验测试内容均未超过规范规定的限值，则该桥目前的承载能力尚能满足设计荷载要求。

桥梁荷载试验是检验桥梁结构工作状态或实际承载能力的一种试验手段。可以直接检验桥梁设计与施工的质量，判断桥梁结构的实际承载能力，测试研究桥梁结构动力特性及动态反应。

本文分析了刚架拱桥荷载试验方法的主要试验加载工况、挠度应变测点布置以及动力特性的测试方法，评估了桥梁结构质量和承载能力，对为同类桥梁荷载试验提供经验。

［1］张俊平．桥梁检测与维修加固［M］．北京：人民交通出版社，2011．

［2］依.西.汉勃来（E.C.Hambly）.桥梁上部构造性能［M］.北京：人民交通出版社，1982．

［3］中华人民共和国交通运输部．JTG/T J21-201l，公路桥梁承载能力检测评定规程［S］．北京：人民交通出版社，2011．