基于荷载试验的某空腹式双曲拱桥工作性能分析

■吴腾飞

（福建船政交通职业学院，福州　350007）

基于荷载试验的某空腹式双曲拱桥工作性能分析

■吴腾飞

（福建船政交通职业学院，福州350007）

本文以某空腹式双曲拱桥为工程背景，采用有限元软件建立理论模型并进行动静载试验，将实测值与理论计算值进行比较分析，结果表明该拱桥承载能力能够满足汽-15级、挂-80荷载等级要求。

空腹式双曲拱桥荷载试验分析

1　概述

双曲拱桥因主拱圈分期形成，其呈现出组合结构的受力特征，故整体性较弱。但其是将主拱圈以“化整为零”的方法按先后顺序进行施工，再以“集零为整”的方式组合成承重的整体结构，它充分发挥了预制装配的优点，可以不要拱架施工，节省木料，加快施工进度，而所耗用的工料又不多。本文的研究对象为某15孔连续空腹式双曲拱桥（图1），桥梁全长363.56m，15孔肋拱单孔净跨径为19.66m～24.60m，各孔跨径长短不一，净矢高2.50m，矢跨比为1/10～1/8，悬链线结构形式，拱轴系数m=2.24。边小拱为板拱，净跨径为10.0m，净矢高2.50m，矢跨比为1/4，圆弧线结构形式。桥面宽度：净7.0+2×1.50m。主拱圈厚度为0.7m，采用200号混凝土。拱上建筑由混凝土立柱、横墙和腹拱圈组成，腹拱圈为圆弧拱，跨径为2.0m，腹拱圈厚度为0.2m。桥台为浆砌块石U型台。原设计荷载：汽-13级、拖-60。洪水设计或然率为100年一遇。为了解桥跨主体结构在汽-15级、挂-80交通荷载等级作用下的实际受力状态，评价结构的工作性能，对该桥第9跨和第15跨进行了静动载试验。

2　荷载试验结果及分析

2.1静载试验

2.1.1静载试验工况及检验对象

根据该桥施工设计图纸，应用有限元计算软件进行建模计算，桥梁模型见图2。以设计标准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。然后根据桥跨结构受力特点，确定各跨试验工况，具体见表1，各跨主要测试截面见图3。由表2可知，该桥的试验荷载效率η满足文献 ［2］基本荷载试验规定的要求0.95≤η≤1.05。

图2　某空腹式双曲拱桥模型图

图3　试验测试截面示意图

2.1.2测点布置
应变测点布置：在各控制截面拱肋底面粘贴混凝土应变片进行测量，各控制截面应变测点布置见图4。
挠度测点布置：在各控制截面拱肋对应的桥面位置架设塔尺进行测量，各控制截面挠度测点布置见图5。
裂缝观测：在第15跨拱顶截面拱肋横向裂缝位置跨裂缝粘贴应变片进行测量。

图1　某空腹式双曲拱桥总体布置图（单位：m）

表1　试验测试内容

表2　静力试验荷载效率

图4　各控制截面应变测点布置图

图5　各控制截面挠度测点布置图

2.1.3静载试验结果及分析
在试验加载工况作用下，各控制截面的实测挠度及其与理论计算值的比较如表3所示，实测应变及其与理论计算值的比较如表4所示。
经过桥梁静载试验，该桥第9跨拱顶截面挠度校验系数为0.82～0.85，应变校验系数为0.75～0.84；第9跨拱脚截面应变校验系数为0.71～0.82；第15跨拱顶截面挠度校验系数为0.74～0.78，应变校验系数为0.70～0.85；第15跨拱脚截面应变校验系数为0.72～0.84；各截面挠度和应变校验系数均小于文献［2］规定值1.00；各截面相对残余挠度和相对残余应变均小于文献［2］规定值20%。

在工况7、8作用下，15#台未发生水平位移。

在工况1、2作用下，第9跨拱顶截面的拱肋横向裂缝最大开展宽度为0.025mm，卸载后均恢复。

表3　各控制截面挠度分析表

2.2动载试验

2.2.1自振特性试验工况

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，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桥跨结构微小振动响应，测试桥跨结构自振频率和阻尼比，以分析桥跨结构自振特性。

2.2.2自振特性结果及分析

在各跨八分点位置桥面上放置脉动测点传感器，实测的信号经FFT分析、模态分析，得到该双曲拱桥的竖向1阶自振频率及振型。自振特性试验表明，该桥实测竖向1阶自振频率为3.01Hz，大于理论计算值2.31Hz，实测振型与理论计算振型基本吻合。实测与计算竖向1阶自振频率及振型对比图见图6。

图6　实测与计算竖向1阶自振频率及振型图对比

表4　各控制截面应变分析表

2.2.3无障碍行车试验工况

采用1辆载重汽车（单车总重约40t）分别以10km/h、20km/h和30km/h不同的车速通过桥跨结构，测试第9跨跨中截面的冲击系数。

2.2.4无障碍行车试验结果及分析

在不同车速（以10km/h、20km/h和30km/h）情况下，测得第9跨跨中截面跑车试验挠度时程曲线如图7所示。

由桥梁行车试验可知，在单车（重约40t）不同行车速度10km/h、20km/h和30km/h作用下，实测的跑车冲击系数分别为1.06、1.08和1.10，按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）中冲击系数 μ的计算公式计算：当1.5Hz≤f≤14 Hz时，则1+μ=1+（0.1767lnf-0.0157）=1.13（这里f取桥面竖向一阶频率），可知实测冲击系数小于规范值。

图7　不同车速情况下跑车试验挠度时程曲线

3　结论

通过对该双曲拱桥的静动载试验结果和各项理论值进行比较和分析，得到荷载试验结论如下：

（1）桥梁静载试验表明：该桥第9跨拱顶截面挠度校验系数为0.82～0.85，应变校验系数为0.75～0.84；第9跨拱脚截面应变校验系数为0.71～0.82；第15跨拱顶截面挠度校验系数为0.74～0.78，应变校验系数为0.70～0.85；第15跨拱脚截面应变校验系数为0.72～0.84；各截面挠度和应变校验系数均小于文献［2］规定值1.00；各截面相对残余挠度和相对残余应变均小于文献［2］规定值20%。

在工况7、8作用下，15#台未发生水平位移。

在工况1、2作用下，第9跨拱顶截面的拱肋横向裂缝最大开展宽度为0.025mm，卸载后均恢复。

（2）桥梁动载试验表明：该桥实测竖向1阶自振频率为3.01Hz，大于理论计算值2.31Hz，实测振型与理论计算振型基本吻合；在单车（重约40t）不同行车速度10km/h、20km/h和30km/h作用下，实测的跑车冲击系数分别为1.06、1.08和1.10，小于理论计算值1.13，满足规范要求。

综上所述，该空腹式双曲拱桥承载能力能够满足汽-15级、挂-80荷载等级要求。

［1］JTG D61-2005，公路圬工桥涵设计规范［S］.

［2］JTG/T J21-2011，公路桥梁承载能力检测评定规程［S］.

［3］JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

［4］JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.