塘嶼剛架拱橋的荷載試驗(yàn)研究

羅 子 文，羅 成 斌

（1.中國建筑科學(xué)研究院上海分院，上海200023；2.上海建科結(jié)構(gòu)新技術(shù)工程有限公司，上海 200023）

塘嶼剛架拱橋的荷載試驗(yàn)研究

羅 子 文1，2，羅 成 斌1，2

（1.中國建筑科學(xué)研究院上海分院，上海200023；2.上海建科結(jié)構(gòu)新技術(shù)工程有限公司，上海 200023）

荷載試驗(yàn)是評(píng)估橋梁實(shí)際工作狀態(tài)和承載能力最直接的方法，也是評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)的使用狀況的有效方法。文章以塘嶼剛架拱橋?yàn)楣こ虒?shí)例，通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的應(yīng)變、變形、振動(dòng)頻率及振幅等實(shí)際響應(yīng)的研究，闡述了荷載試驗(yàn)的靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)過程，分析了荷載試驗(yàn)結(jié)果，闡明了橋梁結(jié)構(gòu)承載能力與工作狀態(tài)。結(jié)果表明：靜載試驗(yàn)中，荷載試驗(yàn)效率為0.96～1.00，測(cè)試截面的混凝土應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.23～0.82，鋼筋應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.04～0.12，試驗(yàn)橋跨的強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)荷載的使用要求；動(dòng)載試驗(yàn)中，實(shí)測(cè)豎向變形校驗(yàn)系數(shù)均值為1.10，自振頻率為3.91 Hz，沖擊系數(shù)為0.35，均小于規(guī)范限值或理論計(jì)算值要求，使得橋跨的豎向整體剛度不足，沖擊效應(yīng)偏大。

剛架拱橋；荷載試驗(yàn)；承載能力

0 引言

剛架拱橋是一種以無支架施工技術(shù)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的新型橋梁。這種結(jié)構(gòu)形式的橋梁除了具有雙曲拱橋、桁架拱橋、肋拱橋以及斜腿剛構(gòu)等橋型的某些特點(diǎn)外，還具有構(gòu)件少、整體性好、剛度較大、自重較輕、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)。剛架拱橋的主要結(jié)構(gòu)由剛架拱片、橫梁、微彎板及橋面系等幾個(gè)部分組成。剛架拱橋的受力趨于整體受力，拱的特性又在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成高次超靜定，是一種有推力拱。此外，剛架拱橋?qū)Φ鼗某休d力要求比其它類型的拱橋要低［1-7］，已被廣泛應(yīng)用于跨徑為25～70 m的橋跨結(jié)構(gòu)。

我國的剛架拱橋最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代中后期。江蘇無錫志公橋（1979年，跨徑50 m）是我國最早修建的剛架拱橋。此后的一段時(shí)間內(nèi)，江蘇、山東、廣東、遼寧等地先后新建了多座剛架拱橋，從結(jié)構(gòu)形式、跨徑、施工技術(shù)及使用經(jīng)驗(yàn)等多方面有了大量的積累［7-8］。但是隨著經(jīng)濟(jì)、交通的發(fā)展，一些年代較久的剛架拱橋會(huì)因設(shè)計(jì)荷載等級(jí)偏低、結(jié)構(gòu)材料性能不足、日常管養(yǎng)不到位、超載車輛通行等多方面的原因，使得橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)多種病害，其承載能力也表現(xiàn)出退化和降低［5-10］，這一類橋梁可能長期處于超負(fù)荷運(yùn)營狀態(tài)。為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營，需要對(duì)這一類橋梁采取科學(xué)、合理的方法確定其現(xiàn)有的實(shí)際承載能力。目前用于舊橋承載能力評(píng)估最主要的方法是荷載試驗(yàn)法。荷載試驗(yàn)是最直接有效的方法。對(duì)老舊橋梁結(jié)構(gòu)開展的荷載試驗(yàn)，在其現(xiàn)狀檢測(cè)評(píng)估基礎(chǔ)上，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)施加確定荷載，通過相應(yīng)的測(cè)試方法和手段，量測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)所施加荷載的實(shí)際響應(yīng)（如應(yīng)變、變形、振動(dòng)頻率及振幅等），并以此來評(píng)判橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力和使用狀況，掌握橋梁結(jié)構(gòu)的日常實(shí)際工作狀態(tài)，為橋梁結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)、維修及加固提供基本資料和依據(jù)。橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)包括靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)，靜載試驗(yàn)主要用于評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下的承載能力和使用性能，動(dòng)載試驗(yàn)則主要用于評(píng)定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

1 工程概況

塘嶼大橋位于福建省長樂市，為一座南北走向的鋼筋混凝土剛架拱橋。橋梁的凈跨徑為45.0 m，凈矢高為 5.62 m（矢跨比為1／8），建筑總長度為99.08 m，橋面總寬為 12.0 m，通行凈寬為9.0 m。橋面采用鋼筋混凝土鋪裝，兩側(cè)采用鋼筋混凝土花板欄桿。車行道橋面沿橋梁中心線向兩側(cè)各設(shè)1.5%雙向橫坡。

該橋上部結(jié)構(gòu)由4榀鋼筋混凝土剛架拱片、橫隔梁、微彎板組成，所有構(gòu)件均采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)分段吊裝。主拱片尺寸為35 cm×80 cm（拱腳）、35 cm×70 cm（拱頂），橫隔梁尺寸為15 cm×50 cm，兩主拱片間設(shè)15道橫隔梁；微彎板厚度為6 cm。下部結(jié)構(gòu)采用尺寸為700 cm×590 cm和高度為180 cm的混凝土承臺(tái)，下設(shè)直徑為100 cm、長為1900 cm的混凝土灌注樁。該橋主拱片、橫隔梁、微彎板、橋面鋪裝層均采用30＃混凝土，人行道板、緣石、欄桿、灌注樁采用25＃混凝土，承臺(tái)及臺(tái)帽采用20?；炷?。設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級(jí)、掛車-100。

塘嶼大橋橋梁實(shí)景圖如圖1所示，橋梁結(jié)構(gòu)布置示意圖如圖2所示。

圖1 塘嶼大橋?qū)嵕皥D

圖2 塘嶼大橋結(jié)構(gòu)布置示意圖／cm

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，橋梁的主要病害及缺陷有：橋梁整體豎向剛度不足、微彎板嚴(yán)重開裂、鋪裝層及欄桿嚴(yán)重破損等。

2 靜載試驗(yàn)

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型分析

根據(jù)橋梁的圖紙資料及現(xiàn)場(chǎng)檢查檢測(cè)數(shù)據(jù)，采用橋梁博士軟件進(jìn)行剛架拱片的有限元計(jì)算分析，有限元模型如圖3所示。

通過計(jì)算設(shè)計(jì)荷載作用下各主要控制截面的撓度和內(nèi)力影響線，利用荷載等效原則確定測(cè)試斷面、試驗(yàn)荷載以及試驗(yàn)加載程序。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)剛架拱橋的受力特點(diǎn)及相關(guān)規(guī)范進(jìn)行荷載試驗(yàn)設(shè)計(jì)［14-18］，試驗(yàn)的測(cè)試控制截面及測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖如圖4所示。

2.3 試驗(yàn)荷載確定

試驗(yàn)控制截面J1和 J2的加載載位及加載現(xiàn)場(chǎng)圖如圖5所示。

按照荷載等效原則，采用影響線加載的方式確定試驗(yàn)荷載。經(jīng)過計(jì)算，采用二輛總重為244.4 kN的三軸汽車進(jìn)行加載，可滿足規(guī)范關(guān)于荷載效率為0.95～1.05的要求［14］，試驗(yàn)的荷載效率計(jì)算見表1。試驗(yàn)時(shí)，采用5級(jí)加載機(jī)制：0→20%→40%→60%→80%→100%。每一級(jí)加載采用車輛中軸在橋跨上的位置控制。

表1 荷載試驗(yàn)效率

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.4.1 混凝土應(yīng)力及其校驗(yàn)系數(shù)

實(shí)測(cè) J1和 J2截面混凝土應(yīng)力及其校驗(yàn)系數(shù)結(jié)果見表2、3，其中，混凝土應(yīng)力以受壓為正，受拉為負(fù)；混凝土應(yīng)力按 Ec=3.0×104MPa計(jì)算［17］。

圖3 塘嶼大橋的有限元模型圖

圖4 靜載測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置圖／cm

表2 J1截面混凝土應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及其校驗(yàn)系數(shù)

圖5 靜載加載載位示意圖／cm

表3 J2截面混凝土應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及其校驗(yàn)系數(shù)

表2、3的結(jié)果表明，剛架拱片的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)荷載的使用要求，其相對(duì)殘余應(yīng)力，J1截面為-14.9%～20%，J2截面為-5.6%～16.7%，滿足規(guī)范不超過 20%的規(guī)定［14］；實(shí)測(cè)的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)J1截面為 0.23～0.82，平均值為0.53，J2截面為0.49～0.75，平均值為0.64，均滿足規(guī)范關(guān)于應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)不宜超過1.0的規(guī)定［14］。

2.4.2 主拱梁底鋼筋應(yīng)力

J1和J2截面剛架主拱拱底的鋼筋應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果見表4、5，其中，鋼筋應(yīng)力以受拉為正，受壓為負(fù)；鋼筋應(yīng)力按Es=2.1×105MPa［17］計(jì)算。

表4 J1截面主拱拱底鋼筋應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及其校驗(yàn)系數(shù)

表5 J2截面主拱拱底鋼筋應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及其校驗(yàn)系數(shù)

表4、5的結(jié)果表明，剛架拱片的鋼筋應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)荷載的使用要求，其相對(duì)殘余應(yīng)力為 J1截面為0%～6.7%，J2截面為0% ～6.9%，滿足規(guī)范不超過 20%的規(guī)定［14］；實(shí)測(cè)的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù) J1截面為

0.04 ～0.12，J2截面為 0.04～0.11，均滿足規(guī)范關(guān)于應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)不宜超過1.0的規(guī)定［14］。

2.4.3 拱片豎向變形測(cè)試結(jié)果

實(shí)測(cè)控制截面的豎向變形結(jié)果見表6、7。

表6 J1截面豎向變形實(shí)測(cè)結(jié)果和校驗(yàn)系數(shù)

表7 J2截面豎向變形實(shí)測(cè)結(jié)果和校驗(yàn)系數(shù)

表6、7的結(jié)果表明，剛架拱片的豎向剛度不能滿足設(shè)計(jì)荷載的使用要求，實(shí)測(cè) J1截面的最大相對(duì)殘余變位為25%，超過規(guī)范規(guī)定限值 20%［14］；實(shí)測(cè)撓度校驗(yàn)系數(shù)，J1截面為 1.03～1.24，J2截面為0.72～1.30，不滿足規(guī)范關(guān)于變形校驗(yàn)系數(shù)不宜超過 1.0的規(guī)定［14］。

2.4.4 靜載試驗(yàn)中的裂縫觀測(cè)

在靜載試驗(yàn)過程中，對(duì)主拱和微彎板的裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)主拱片未出現(xiàn)裂縫，微彎板的橫向裂縫寬度明顯增大，其裂縫擴(kuò)展度為13%～27%。

3 動(dòng)載試驗(yàn)

表8 結(jié)構(gòu)自振特性測(cè)試結(jié)果

表8的結(jié)果表明，實(shí)測(cè)橋梁的一階自振頻率小于理論計(jì)算值，橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)與理論剛度比為0.35，橋梁的實(shí)際豎向剛度比理論剛度小，且橋梁自振屬于小阻尼振動(dòng)。

3.2 動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試

采用單車（三軸重車）按10、20、30和40 km／h進(jìn)行跑車試驗(yàn)的動(dòng)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果見表9，通過對(duì)動(dòng)應(yīng)變的時(shí)程曲線分析計(jì)算所得的應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)k見表 10。應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)超過了規(guī)范限值 0.10［18］，汽車荷載的沖擊效應(yīng)偏大。

動(dòng)載試驗(yàn)項(xiàng)目包括橋梁自振特性測(cè)試和動(dòng)力性能測(cè)試。自振特性測(cè)試時(shí)，在 J1和J2截面的橋面上布設(shè)加速度拾振器，封閉交通，測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)在空載狀態(tài)下由風(fēng)荷載、地脈動(dòng)等自然隨機(jī)激勵(lì)引起的微幅振動(dòng)響應(yīng)。動(dòng)力性能測(cè)試時(shí)，利用一輛三軸重車居中勻速駛過橋面，測(cè)試3＃拱片和4＃拱片的鋼筋動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線，設(shè)計(jì)時(shí)速分為四級(jí)：10、20、30和40 km／h。

3.1 自振特性測(cè)試

對(duì)空載狀態(tài)的橋梁自振脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，識(shí)別其固有頻率，結(jié)果見表8。

表9 結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

表10 結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù) k

表9和表10的結(jié)果表明：實(shí)測(cè)橋梁沖擊系數(shù)為0.15～0.35，大于規(guī)范限值 0.10，橋梁在車輛荷載作用下的豎向沖擊效應(yīng)偏大［18］。

4 結(jié)論

通過上述研究可知：

（1）荷載效率為0.96～1.00，滿足規(guī)范荷載效率為0.95～1.05的規(guī)定；剛架拱片控制測(cè)試截面的混凝土應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.23～0.82，未超過規(guī)范規(guī)定值1.0，相對(duì)殘余不超過規(guī)范的規(guī)定限值20%；鋼筋應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.04～0.12，相對(duì)殘余不超過規(guī)范限值20%，橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度整體能夠滿足原設(shè)計(jì)荷載的使用要求；

（2）剛架拱片控制測(cè)試截面的豎向變形校驗(yàn)系數(shù)最大值達(dá) 1.30，平均值為 1.10，超過規(guī)范限值1.0，且實(shí)測(cè)變形的相對(duì)殘余超過規(guī)范限值 20%，橋梁的豎向剛度不足；

（3）實(shí)測(cè)橋梁自振頻率為3.91 Hz，小于理論計(jì)算的5.38 Hz，橋梁的結(jié)構(gòu)剛度比為0.35，其實(shí)際的豎向剛度小于理論剛度；實(shí)測(cè)橋梁的沖擊系數(shù)為0.35，大于規(guī)范限值0.10，結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)偏大，偏于不安全。

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（學(xué)科責(zé)編：吳芹）

Study on the load tests of TangYu reinforced concrete rigid frame arch bridge

Luo Ziwen1，2，Luo Chengbin1，2
（1.Shanghai Branch of China Building Research Academy，Shanghai 200023，China；2.Shanghai Advanced Technology of Building Construction Co.，Ltd.，Shanghai 200023，China）

Load tests，including static and dynamic tests，are the most direct and effective method，which can be used to identify and evaluate the working performance and actual load-bearing capacity of bridges，and to provide basic data for the bridge maintenance and reinforcement.Taking Tangyu reinforced concrete rigid frame arch bridge as engineering background，the paper studies the actual response of the bridge（such as strain，deformation，frequency and amplitude，etc.），briefly introduces the testing process，and assesses the test results，the working performance and carrying capacity of the bridge.Test results show that the carrying capacity of the bridge complied with the design requirement，with the response ratio of test load to design load was 0.96～1.00 and the concrete and steel verification coefficient was 0.23～0.82，0.01～0.12，respectively，which does not exceed the specification limit，but the vertical stiffness of the bridge is inadequate and its impact effect is relatively large，with testing deformation verification coefficient，measured vibration frequency and impact factor were 1.08（maximum of 1.30），3.91Hz and 0.35，respectively，which not meeting the standard limit value or theoretical value requirements.

reinforced concrete rigid frame arch bridge；load tests；carrying capacity

TG333.17

A

1673-7644（2015）03-0216-08

2014-06-20

羅子文（1980-），男（土家族），高級(jí)工程師，碩士，主要從事橋梁及建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)與加固等方面的研究.E-mail：raul_forever＠126.com.