某雙曲拱橋靜載試驗(yàn)研究分析

李金奎，唐德金，房嘉銘

(1.大連大學(xué) 遼寧省復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系災(zāi)害預(yù)測與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116622；

2.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 重慶 400074)

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某雙曲拱橋靜載試驗(yàn)研究分析

李金奎1，唐德金1，房嘉銘2

(1.大連大學(xué) 遼寧省復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系災(zāi)害預(yù)測與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116622；

2.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 重慶 400074)

摘要：隨著各種災(zāi)害的日趨增加，現(xiàn)役橋梁遭到不同程度的破壞。為詳細(xì)掌握橋梁病害狀況，準(zhǔn)確判斷橋梁技術(shù)狀況及實(shí)際承載能力，需要對現(xiàn)役橋梁進(jìn)行靜載實(shí)驗(yàn)。以山西某雙曲拱橋?yàn)橐劳?，對該雙曲拱橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)分析，通過計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果評價(jià)橋梁的使用性能。結(jié)果顯示為：0#橋臺的豎向位移及橫向位移在各工況作用下均為0 mm，主梁撓度測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)在各工況都小于1,校驗(yàn)系數(shù)滿足規(guī)范要求;橋梁結(jié)構(gòu)雖然存在一定的損傷，但是其結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，滿足基本運(yùn)營要求。

關(guān)鍵詞：研究分析；靜載試驗(yàn)；校驗(yàn)系數(shù)；雙曲拱橋

近年來我國交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展較快，橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，其重要性比較重大?，F(xiàn)役橋梁建成后會受到各種破壞作用，其使用性能逐漸降低，而荷載試驗(yàn)是評價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)承載能力最有效、最直接的方法[1-4]。本文以山西某雙曲拱橋梁為依托，通過計(jì)算和現(xiàn)場靜載試驗(yàn)，確定上部結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的性能，確定在試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)的變形趨勢及應(yīng)變變化規(guī)律，通過以上數(shù)據(jù)來分析測試橋梁是否能滿足正常運(yùn)營。

1工程概況

該橋是一座雙曲拱橋，橋梁全長80 m，橋面寬度為11.5 m，橋?qū)挷贾脼?.25 m(人行道+欄桿)+9 m(行車道)+1.25 m(人行道+欄桿)；該橋上部結(jié)構(gòu)形式為雙曲拱，縱向6條拱肋，橫向設(shè)有4道橫系梁及5道橫隔板；橋面鋪裝采用瀝青混凝土，無伸縮縫，兩側(cè)設(shè)有鋼筋混凝土欄桿；下部結(jié)構(gòu)采用重力式橋臺，基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋梁通車時(shí)間為1991年，設(shè)計(jì)荷載為汽-20級，掛-100級。

2荷載試驗(yàn)

通過荷載試驗(yàn)得到橋梁結(jié)構(gòu)各控制斷面在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變和撓度；分析橋梁結(jié)構(gòu)靜力荷載作用下的工作性能；最后確定橋梁的運(yùn)營情況，判斷橋梁是否滿足基本運(yùn)營的要求[5-9]。

2.1試驗(yàn)荷載

根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)荷載，按汽車-20級荷載標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)荷載值計(jì)算荷載效應(yīng)較大的荷載等級加載，檢驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)是否滿足目前的實(shí)際運(yùn)營荷載等級要求。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[10](JTG/T J21-2011)中的建議，橋梁荷載試驗(yàn)一般采用基本荷載。其中，靜力試驗(yàn)荷載的效率系數(shù)的取值范圍為：

0.95≤η≤1.05

(1)

(2)

式中：Ss為試驗(yàn)荷載作用下檢測部位變位或力的計(jì)算值；s′為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下檢測部位變位或力的計(jì)算值；μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)。

為了保證試驗(yàn)的有效性，必須使測試截面的試驗(yàn)荷載的效率系數(shù)大于或等于0.95[11-14]。根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)荷載等級，遵循等代荷載的方式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，并且確定最低限試驗(yàn)荷載。通過計(jì)算分析，本次靜力荷載試驗(yàn)需加載車輛2輛，單車車貨總重30 t，為保證試驗(yàn)的效果，2輛車采用同型號車輛[15-17]。

2.2試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)橋梁荷載試驗(yàn)?zāi)康模敬维F(xiàn)場試驗(yàn)的主要內(nèi)容包括主梁控制斷面的靜應(yīng)變及其規(guī)律、主梁控制斷面的靜撓度及其規(guī)律。

2.3試驗(yàn)工況及加載方案

2.3.1試驗(yàn)工況

為了滿足鑒定橋梁承載力的要求：荷載工況選擇應(yīng)反映橋梁設(shè)計(jì)的最不利受力狀態(tài)。在試驗(yàn)前，應(yīng)首先采用有限元法計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的撓度、內(nèi)力、應(yīng)力。通過分析計(jì)算可得，雙曲拱橋在設(shè)計(jì)荷載和運(yùn)營荷載作用下最不利截面位置在拱頂截面、L/4截面、拱腳。根據(jù)荷載試驗(yàn)的要求使橋梁結(jié)構(gòu)在最不利的情況下進(jìn)行加載，而且保證試驗(yàn)的合理性和有效性，選擇跨中、L/4截面、拱腳作為測試截面。

(1) 工況1：拱腳最大負(fù)彎矩加載；

(2) 工況2：L/4截面最大正彎矩加載；

(3) 工況3：L/2截面最大正彎矩加載。

2.3.2加載方案

(1) 加載車選擇

本橋具有通行車輛密集，運(yùn)營車輛載重量大等特點(diǎn)，同時(shí)為了保證荷載試驗(yàn)過程對車輛運(yùn)營帶來的影響最低，本次試驗(yàn)前對試驗(yàn)荷載進(jìn)行估算，試驗(yàn)時(shí)選用2輛加載車輛。加載車輛的概況如表1所示。

表1　加載車輛概況表　單位：t

(2) 汽車加載布置

① 工況1：拱腳截面最大負(fù)彎矩加載

工況1加載車縱向布置圖如圖1所示。

圖1工況1縱向加載示意圖(單位：cm)

② 工況2：L/4截面最大正彎矩加載；

工況2加載車縱向布置圖如圖2所示。

圖2工況2縱向加載示意圖(單位：cm)

③ 工況3：L/2截面最大正彎矩加載；

工況3加載車縱向布置圖如圖3所示。

圖3工況3縱向加載示意圖(單位：cm)

(3) 試驗(yàn)工況中要求的荷載加載

加載車橫向加載布置如圖4所示。

圖4加載車橫向加載布置圖(單位：cm)

2.4主要測試儀器

靜態(tài)應(yīng)變量測采用應(yīng)變計(jì)和高速靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)DH3815N數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。撓度量測采用邢臺儀表廠生產(chǎn)位移傳感器和高速靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)DH3815N數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.5測點(diǎn)布置

2.5.1撓度測點(diǎn)

(1) 跨中斷面：每根肋底布設(shè)1個(gè)頂針式應(yīng)變位移計(jì)測試拱肋豎向撓度，共計(jì)6個(gè)；

(2)L/4斷面：每根肋底布設(shè)1個(gè)頂針式應(yīng)變位移計(jì)測試拱肋豎向撓度，共計(jì)6個(gè)；

2.5.2應(yīng)變測點(diǎn)

(1) 拱腳斷面：每個(gè)肋底左右布設(shè)1個(gè)應(yīng)變片，共計(jì)6個(gè)(見圖5)；

(2)L/4斷面：每個(gè)肋底左右布設(shè)1個(gè)應(yīng)變片，共計(jì)6個(gè)(見圖6)；

(3) 跨中斷面：每個(gè)肋底左右布設(shè)2個(gè)應(yīng)變片，共計(jì)12個(gè)(見圖7)。

圖5拱腳截面及0#橋臺測點(diǎn)布置示意圖

2.5.3位移測點(diǎn)

橋臺：在0#橋臺南側(cè)布設(shè)頂針式應(yīng)變位移計(jì)測試橋臺的水平位移及豎向位移，共計(jì)2個(gè)。

圖6　L/4截面測點(diǎn)布置示意圖

圖7L/2截面測點(diǎn)布置示意圖

3結(jié)果分析

3.1應(yīng)變

利用在各試驗(yàn)工況試驗(yàn)荷載加載效率最大情況下，各拱肋的應(yīng)變測點(diǎn)的實(shí)測值，與荷載試驗(yàn)理論計(jì)算所得的理論值進(jìn)行比較，可以得出校驗(yàn)系數(shù)，評價(jià)拱肋的受力特性。

在工況1：拱腳截面最大負(fù)彎矩加載下，相應(yīng)應(yīng)變計(jì)算、實(shí)測值及校驗(yàn)系數(shù)分別如表2、圖8所示。

圖8　工況1拱腳截面應(yīng)變實(shí)測值與理論計(jì)算值比較

在該工況試驗(yàn)荷載作用下，各拱肋的荷載試驗(yàn)理論計(jì)算值在-59.9 με～74.3 με范圍內(nèi),避免出現(xiàn)較大誤差取兩次實(shí)測值然后得到平均值，各拱肋實(shí)測值在14.58 με～35.94 με范圍內(nèi)。各拱肋測點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.20～0.60范圍內(nèi)變化，校驗(yàn)系數(shù)的平均值為0.39，均小于1。拱肋應(yīng)變的實(shí)測值與理論值之間的協(xié)調(diào)變化規(guī)律基本一致。

3.2位移

在試驗(yàn)工況試驗(yàn)荷載加載效率最大情況下，利用主梁控制斷面處撓度測點(diǎn)的實(shí)測值，與荷載試驗(yàn)理論計(jì)算所得的理論值進(jìn)行比較，以此求得的撓度校驗(yàn)系數(shù)用來評價(jià)主梁的受力特性。

在工況1：拱腳截面最大負(fù)彎矩加載下相應(yīng)拱腳位移實(shí)測值及校驗(yàn)系數(shù)分別如表3所示。

表3　工況1拱腳位移實(shí)測值

注：D1為橋臺水平位移值，D2為橋臺豎向位移值。

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到在荷載作用下，橋臺的豎向位移及橫向位移均為0 mm，橋臺及其基礎(chǔ)穩(wěn)定性好，橋臺基礎(chǔ)承載能力滿足使用要求。

3.3撓度

在工況2：L/4截面最大正彎矩加載下，相應(yīng)撓度計(jì)算、實(shí)測值及校驗(yàn)系數(shù)分別如表4、圖9所示。

表4　工況2 L/4截面撓度計(jì)算、實(shí)測值及校驗(yàn)系數(shù)

圖9工況2L/4截面撓度實(shí)測值與理論計(jì)算值比較

在試驗(yàn)荷載作用下，各拱肋荷載試驗(yàn)理論計(jì)算值在1.9 mm～2.5 mm范圍內(nèi)，實(shí)測值在-0.32 mm～-0.69 mm范圍內(nèi)。主梁撓度測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)在0.12～0.27范圍內(nèi)變化，校驗(yàn)系數(shù)的平均值分別在0.20，均小于1。實(shí)測值小于理論計(jì)算值，說明橋梁可以滿足規(guī)范對撓度的要求。

在工況3：L/2截面最大正彎矩加載下，相應(yīng)撓度計(jì)算、實(shí)測值及校驗(yàn)系數(shù)分別如表5、圖10所示。

表5　工況3 L/2截面撓度計(jì)算、實(shí)測值及校驗(yàn)系數(shù)

圖10工況3L/2截面撓度實(shí)測值與理論計(jì)算值比較

在試驗(yàn)荷載作用下，主梁荷載試驗(yàn)理論計(jì)算值在-2.2 mm～-2.9 mm范圍內(nèi)，實(shí)測值在-0.65 mm～-1.22 mm范圍內(nèi)。撓度測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)在0.30～0.45范圍內(nèi)變化，校驗(yàn)系數(shù)的平均值分別在0.37，均小于1。拱肋撓度的實(shí)測值與理論值之間的協(xié)調(diào)變化規(guī)律基本一致，說明橋梁滿足規(guī)范及通行要求。

4結(jié)論

通過以上分析可以得到如下結(jié)論：

(1) 0#橋臺的豎向位移值及橫向位移值在各工況作用下均為0 mm，說明橋梁基礎(chǔ)狀態(tài)基本良好，滿足正常運(yùn)營要求。

(2) 在試驗(yàn)荷載作用下，主梁撓度測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)在各工況分別變化于0.12～0.51，校驗(yàn)系數(shù)的平均值分別在0.20～0.35，均小于1.00。

(3) 為了進(jìn)一步說明主梁的撓度特征，將各梁跨中斷面的撓度測點(diǎn)的實(shí)測值與理論值對比于圖中，由此可以看出，總體上，主梁撓度的實(shí)測值與理論值之間變化規(guī)律基本一致。撓度測試結(jié)果顯示了橋梁在試驗(yàn)荷載作用下處于彈性工作狀態(tài)，其承載能力能夠滿足汽車-20級荷載要求。

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Analysis of the Static Load Test of a Double Arch Bridge

LI Jinkui1， TANG Dejin1， FANG Jiaming2(1.KeyLaboratoryforPrediction&ControlonComplicatedStructureSystemofLiaoningProvince,DalianUniversity,Dalian,Liaoning116622，China； 2.SchoolofTraffic&Transportation，ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074，China)

Abstract：With the increasing frequency of disasters, many bridges were recently destroyed more or less. It is essential to carry out the static load test to estimate the bridge diseases situation in detail. Taking the double arch bridge in Shanxi province as an example, calculation and analysis of onsite loading test were carried out. The results showed that the vertical displacement and horizontal displacement under various conditions about the 0#abutment was 0 mm. The calibration coefficient about the site of the girder deflection was less than 1 in every condition considered. This results also demonstrated that the calibration coefficient meet standard requirements. The experimental conclusion is that the bridge structure was safe although there were some damages and it can meet the requirements of basic traffic.

Keywords:static load test; calibration coefficient; double arch bridge

文章編號：1672—1144(2016)01—0060—05

中圖分類號：U448.22+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：李金奎(1972—)，男，遼寧大連人，博士，教授，主要從事橋梁與隧道工程的教學(xué)與研究工作。E-mail：jinkee@126.com

基金項(xiàng)目：國家杰出青年科學(xué)基金(51009015，51008047)；遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2012442)

收稿日期：2015-09-11修稿日期：2015-10-19

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.012