基于荷載試驗(yàn)的某石拱橋承載能力評定

■侯冠彬

（福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測有限公司，福州 350004）

1 工程概況

某石拱橋，上部結(jié)構(gòu)：主橋采用3 m×40 m 及兩側(cè)引橋采用2 m×8 m 小石子混凝土砌片石板拱，主拱圈矢高6.67 m，矢跨比1/6，拱圈厚0.9 m。下部結(jié)構(gòu)采用片石混凝土橋臺，矩形擴(kuò)大基礎(chǔ)。 橋面布置：0.25 m（欄桿）+0.8 m（人行道）+7.0 m（機(jī)動車道）+0.8 m（人行道）+0.25 m（欄桿）=9.1 m。 荷載等級：汽車-15。 該橋立面、橫斷面布置圖見圖1、圖2。

圖1 該橋立面布置圖

圖2 該橋橫斷面布置圖

通過對該橋進(jìn)行定期檢測發(fā)現(xiàn)，橋面水泥混凝土鋪裝橫向裂縫、水泥混凝土鋪裝破損、水泥混凝土接縫擠壓拱起。 主拱圈、拱上側(cè)墻及腹拱圈滲水、拱上側(cè)墻與主拱圈脫開、腹拱圈縱向開裂。 橋臺側(cè)墻開裂、墩臺基礎(chǔ)沖刷、墩身滲水等病害。 對全橋進(jìn)行技術(shù)狀況評定為4 類， 即主要構(gòu)件有大的缺損，嚴(yán)重影響橋梁使用功能；或影響承載能力，不能保證正常使用[1]。

由于該路段交通量的不斷增長，原橋設(shè)計(jì)荷載等級為汽車-15， 為了保證既有橋梁的安全運(yùn)營和盡可能延長其安全使用年限，本次對該橋進(jìn)行檢測評估，是否滿足現(xiàn)行公路-Ⅱ級的荷載等級要求。

2 靜力荷載試驗(yàn)

2.1 靜載試驗(yàn)工況及試驗(yàn)對象

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，采用Midas/Civil 有限元程序建立空間模型對本橋進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算模型見圖3。計(jì)算模型：現(xiàn)狀橋按公路-II 級車道荷載計(jì)算，車道數(shù)為2。對橋梁進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，并通過內(nèi)力影響線布置荷載工況， 使現(xiàn)場加載的荷載效率介于0.95～1.05，即符合橋梁試驗(yàn)規(guī)范的要求[2]。 橋梁采用2 部36 t 左右重型卡車進(jìn)行加載。 各工況具體情況見表1。

圖3 橋梁邁達(dá)斯有限元計(jì)算模型

表1 橋梁各工況設(shè)計(jì)值、試驗(yàn)理論值和效率系數(shù)

2.2 測試截面及測點(diǎn)布置

選取主橋第4 跨、引橋第2 跨及第7 跨拱頂為撓度測試截面， 在拱頂?shù)拙及惭b3 個(gè)數(shù)顯千分表，并在測試截面附近，觀測試驗(yàn)荷載作用下有無新增裂縫并觀測其發(fā)展趨勢。 車輛荷載車輛布置按有限元模型計(jì)算分析得到各測試斷面的內(nèi)力影響線，將實(shí)際加載車輛軸重、軸距等參數(shù)進(jìn)行布載在最不利位置。 撓度測點(diǎn)布置圖見圖4、圖5。

圖4 測試截面布置圖

圖5 A、B 及C 測試截面撓度測點(diǎn)橫斷面布置圖

2.3 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

對該橋測試A、B、C 截面的撓度進(jìn)行了數(shù)據(jù)測試和采集，該橋工況1～工況9 的實(shí)測數(shù)據(jù)及分析見表2。

由表2 可知，試驗(yàn)荷載滿載時(shí)，撓度校驗(yàn)系數(shù)0.20～0.71 及相對殘余變形位于0.30%～19.87%，滿足規(guī)程[3]的要求。在工況1～工況9 的作用下，主拱圈控制截面未出現(xiàn)肉眼可見裂縫。 綜上結(jié)果可得：主橋第4 跨、引橋第2 跨及第7 跨整體剛度大于理論剛度，在公路-II 級活載等效荷載作用下，橋梁處于彈性狀態(tài)。

表2 各工況作用下?lián)隙葘?shí)測值及理論值

3 動力荷載試驗(yàn)

3.1 測試項(xiàng)目及測點(diǎn)布置

3.1.1 環(huán)境振動試驗(yàn)

在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，通過高靈敏度拾振器測定橋址處風(fēng)荷載、地脈動、水流等隨機(jī)荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微幅振動響應(yīng)，測得結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比等動力學(xué)特征。 測點(diǎn)應(yīng)布置在橋梁結(jié)構(gòu)振型的峰、谷點(diǎn)，進(jìn)行多點(diǎn)多方向的測量。

3.1.2 無障礙行車試驗(yàn)

無障礙行車的測試截面一般選擇在活載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大的位置，根據(jù)本橋結(jié)構(gòu)的彎矩包絡(luò)圖特點(diǎn)，車輛激勵(lì)試驗(yàn)觀測斷面布置在主跨第4 跨拱頂最大正彎矩截面位置。 具體工況見表3。

表3 車輛跑車試驗(yàn)加載工況

3.2 動力試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

采用大型通用有限元程序Midas/Civil 對本橋進(jìn)行了動力特性分析。 本次橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測分析結(jié)果見表4、表5、圖6。

圖6 橋梁前豎向三階模態(tài)

表4 自振頻率和阻尼比測試結(jié)果

表5 不同車速激振下實(shí)測沖擊系數(shù)與理論沖擊系數(shù)

由表4、表5、圖6，可得到如下結(jié)論：該橋豎向一階自振頻率為4.878 Hz，大于有限元分析得到的豎向一階自振頻率2.089 Hz，表明橋梁實(shí)際成橋剛度大于理論剛度，說明橋梁的整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求。 該橋?qū)崪y的沖擊系數(shù)最大值為1.111，小于橋梁理論沖擊系數(shù)為1.114， 橋梁實(shí)測沖擊系數(shù)換算值均小于理論值，說明橋面平整度較好。

4 承載能力檢算

根據(jù)現(xiàn)場外觀質(zhì)量檢測、 靜動載試驗(yàn)結(jié)果，對該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，分析評定現(xiàn)狀橋梁結(jié)構(gòu)是否滿足公路-II 級荷載使用要求。

4.1 檢算要點(diǎn)

橋梁承載能力檢算主要是對橋梁結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的有關(guān)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)承載能力評定時(shí)按JTG D60-2015 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》 及JTG D61-2005《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行檢算，活載按均勻分布于拱圈全寬，溫度作用按升溫17℃降溫17℃計(jì)算。 當(dāng)滿足以下條件時(shí)，即認(rèn)為承載能力滿足要求：（1）承載能力極限狀態(tài)下，控制截面的抗力效應(yīng)大于檢算荷載作用下最不利內(nèi)力組合值；（2）正常使用極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)變形滿足要求的容許值。

4.2 檢算參數(shù)選取

承載力在評定的時(shí)侯， 需綜合考慮檢算系數(shù)Z2、截面折減系數(shù)ξc，對其結(jié)構(gòu)抵抗力荷載效應(yīng)進(jìn)行修正，并通過綜合比較，從而判定出橋梁結(jié)構(gòu)的承載力狀況。

4.2.1 承載能力檢算系數(shù)（Z2）

靜載試驗(yàn)結(jié)果，取主要測點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)確定承載能力檢算系數(shù)Z2，其中，主橋撓度校驗(yàn)系數(shù)最大0.22、引橋撓度校驗(yàn)系數(shù)最大0.71。 根據(jù)規(guī)程[3]計(jì)算可知，主橋承載能力檢算系數(shù)Z2=1.30，引橋承載能力檢算系數(shù)Z2=1.095。

4.2.2 截面折減系數(shù)（ξc）

根據(jù)現(xiàn)場檢查情況分別對以上各檢測指標(biāo)給出評定標(biāo)度值，計(jì)算得到構(gòu)件截面損傷的綜合評定值R 見表6～7。

表6 主橋橋梁橋截面損失評定

根據(jù)截面損傷的綜合評定值R，得出主橋截面折減系數(shù)ξc=1.00。

表7 引橋橋梁橋截面損失評定

根據(jù)截面損傷的綜合評定值R，得出引橋截面折減系數(shù)ξc=0.984。

4.3 承載能力檢算

考慮公路-Ⅱ級中基本組合： 恒載+活載+整體溫度，所計(jì)算主橋及引橋主拱圈在承載能力極限狀態(tài)下的荷載效應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表8～10。

表8 主橋主拱圈在承載能力極限狀態(tài)下截面承載能力驗(yàn)算

表9 引橋主拱圈在承載能力極限狀態(tài)下截面承載能力驗(yàn)算

表10 承載能力檢算系數(shù)評定標(biāo)度

由表8～10 可知， 主橋在現(xiàn)狀下控制截面的抗力在考慮檢算系數(shù)和折減系數(shù)后，抗彎承載能力均滿足公路-II 級荷載使用要求。 引橋在現(xiàn)狀下控制截面的抗力在考慮檢算系數(shù)和折減系數(shù)后，抗彎承載能力不滿足公路-II 級荷載使用要求。

5 結(jié)論

本研究通過對現(xiàn)狀橋梁進(jìn)行現(xiàn)場檢測及安全評估，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）橋梁總體技術(shù)狀況評定為4 類，即有大的缺損，嚴(yán)重影響橋梁使用功能，或影響橋梁承載能力，不能保證正常使用。 （2）靜、動載試驗(yàn)結(jié)果表明：主橋第4 跨、引橋第2 跨及第7跨整體剛度大于理論剛度，在公路-II 級活載等效荷載作用下，橋梁處于彈性狀態(tài)。 橋梁實(shí)測豎向一階基頻大于理論豎向一階計(jì)算值，橋梁實(shí)際剛度大于理論剛度。 （3）承載能力檢算結(jié)果表明：在現(xiàn)狀下控制截面的抗力在考慮檢算系數(shù)和折減系數(shù)后，該橋抗彎承載能力不滿足公路-II 級荷載使用要求。 （4）基于安全考慮， 建議對該橋進(jìn)行提升加固改造，嚴(yán)禁超載超限，加強(qiáng)對橋跨結(jié)構(gòu)各受力控制截面等重要部件的定期監(jiān)測和養(yǎng)護(hù)管理。