空腹式雙曲拱橋荷載試驗分析

石松文

（1.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建 福州 350108；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建 福州 350108）

0 引言

雙曲拱橋按其行車道所處的位置屬于上承式拱橋，一般由主拱圈和拱上建筑所構成，主拱圈由拱肋、拱波、拱板和橫向聯(lián)系等幾部分組成，介于拱肋之間的拱波也呈曲線型，且與主拱圈的曲線正交，故而稱為雙曲拱橋。拱上建筑按照其結構形式和填充物不同，可分為實腹式和空腹式兩種，其主要作用是用來構成平緩的橋面和傳遞荷載。這種橋型由20世紀60年代江蘇無錫建橋職工首創(chuàng)，具有施工周期短，結構輕巧美觀，跨徑適應性大等優(yōu)點，這種橋型很快在全國范圍內(nèi)得到推廣。到近年，因建造時間太久，大多數(shù)雙曲拱橋的橋齡老化，也出現(xiàn)梁體破損、承載力下降等情況，造成的安全事故時有發(fā)生，對人民生命財產(chǎn)造成嚴重的威脅，對于此類橋梁的檢測應給予高度的重視?；诖?，本文以某空腹式雙曲拱橋工程為研究對象，依據(jù)設計資料和現(xiàn)場測量，采用MIDAS/Civil進行空間建模，對該橋梁進行靜動載試驗，將實測值與理論計算值進行比較分析。

1 工程概況

某橋位于永安市湖濱路，約建于1971年，橋梁總長為86.42m。橋面為水泥混凝土鋪裝，橋面寬度9.2m=2.2m（人行道）+7.0m（車行道）。

橋梁上部結構為凈跨徑3×20m鋼筋混凝土空腹式雙曲拱橋，主拱圈由七肋六波組成，凈矢高3.33m，矢跨比為1/6，拱肋寬度0.28m，中心間距1.38m。每跨布置4個腹拱，腹拱凈跨1.76m，凈矢高0.55m，拱圈厚度為0.26m，腹拱拱圈為塊石砌筑。下部結構為重力式橋墩、臺，基礎采用明挖擴大基礎。橋梁正交，原設計荷載：汽車-13級，掛車-80。

經(jīng)現(xiàn)場勘查，該橋上部結構已進行了加固，加固方法為：在雙曲拱主拱圈的拱肋間現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，在各個腹拱及腹拱立墻內(nèi)新增混凝土套拱。由于缺乏部分設計資料，該橋尺寸均為檢測人員現(xiàn)場測量所得。

由永安方向往坑邊方向（自東向西）為前進方向，沿前進方向，橋跨編為第1跨～第3跨，橋墩臺編為0#臺、1#墩、2#墩、3#臺，腹拱編為Fn-1～Fn-4。沿前進方向從左往右拱肋依次編為Gn-1～Gn-7，橫系梁依次編為Hn-1-1～Hn-m-x，加固拱板依次編為Bn-1-1～Bn-m-x，其中，n表示橋跨編號，m表示沿前進方向第m道橫系梁/加固拱板，x表示從左向右第x片橫系梁/加固拱板，例如H1-3-4表示第1跨沿前進方向第3道從左往右第4片橫系梁。橋梁結構布置如圖1、圖2所示。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

圖2 橋梁橫斷面布置圖（單位：cm）

2 建立有限元模型

根據(jù)設計資料和現(xiàn)場測量結果，建立該橋的有限元計算模型（見圖3），進行空間建模分析，其中拱肋、拱波、拱板和橫向聯(lián)系等采用了6510個梁單元，橋面板采用了702個板單元。全橋采用梁格法建模，虛擬橫向聯(lián)系梁的剛度取同主梁剛度，容重取為0kN/m3，使其僅提供橋梁橫向剛度而不重復計算其自重。

圖3 主梁有限元模型

3 靜載試驗

3.1 加載工況及荷載效率

根據(jù)設計荷載，對橋梁主要構件產(chǎn)生的最不利內(nèi)力進行計算，通過荷載工況布置，使內(nèi)力值等效，試驗荷載效率滿足《城市橋梁檢測與評定技術規(guī)范》（CJJ/T 233-2015）［1］中所規(guī)定的鑒定性荷載試驗0.95≤η≤1.05的要求，橋梁加載工況和荷載效率見表1。通過計算分析，根據(jù)計算結果和結構布置形式確定橋梁的試驗工況。

表1 橋梁靜載試驗各工況布置及荷載效率

3.2 測點布置

測試截面如圖4所示，拱肋撓度的測試采用百分表進行觀測，撓度測試截面為A、B截面。應變測試的工具為振弦式應變計和振弦讀數(shù)儀，應變測試截面為A、C。

圖4 測試斷面示意圖（單位：cm）

應變的測點布置：在A、C截面的拱肋G1-1～G1-7梁底處安裝振弦式應變計，從左往右依次編號為1#～7#測點。撓度測點布置：在A、B截面的拱肋G1-1～G1-7梁底處安裝百分表，從左往右依次編號為1#～7#測點。

3.3 靜載試驗結果分析

（1）撓度的測試結果。各工況作用下，實測拱肋控制截面A截面撓度校驗系數(shù)在0.47～0.70之間，相對殘余變形在0～10.47%之間；B截面撓度校驗系數(shù)在0.17～0.25之間，相對殘余變形在0～15.00%之間。結果見表2。

表2 各工況撓度檢測結果匯總表

（2）應變的測試結果。各工況作用下，實測拱肋控制截面A截面應變校驗系數(shù)在0.48～0.90之間，相對殘余應變在3.70%～15.63%之間；C截面應變校驗系數(shù)在0.08～0.20之間，相對殘余應變均為0.00%。結果見表3。

表3 各工況應變檢測結果匯總表

（3）結構工作狀況觀測。在試驗過程中，橋梁的各部件工作狀況良好，未見明顯異常。

4 動載試驗

4.1 自振特性試驗

采用環(huán)境隨機振動法測定橋跨結構，由于橋址處風荷載、地脈動等隨機荷載激振而引起的橋梁結構微幅振動響應，以分析橋跨結構的自振特性。在橋跨4等分點位置各放置1個傳感器。本次試驗采樣頻率為100Hz，采樣時間為20min。

經(jīng)試驗模態(tài)分析，自振特性試驗檢測結果表明：橋梁實測豎向一階自振頻率為9.28Hz，理論豎向一階自振頻率為7.34Hz。橋梁的實測豎向一階自振頻率大于理論頻率，表明所檢橋梁成橋整體剛度滿足設計要求。

4.2 動力響應試驗

采用行車試驗測定橋跨結構,由于車輛行駛引起的橋梁結構的振動響應，以分析橋跨結構的動力響應性能。

采用動態(tài)應變計進行橋梁結構動力響應測試，在第1跨G1-3拱肋底面跨中布置1個動態(tài)應變計。

采用靜載試驗中載重汽車進行橋梁動力響應試驗加載，試驗過程中載重汽車按指定路線進行加載。動力響應試驗共分10km/h跑車、20km/h跑車、10km/h剎車、20km/h剎車，共4個工況。

檢測結果表明：在各試驗工況下，橋梁實測動力放大系數(shù)μ=0.15～0.26，均小于設計理論沖擊系數(shù)取值0.34。

5 結束語

通過本次試驗，得出以下結論：

（1）按原設計荷載：汽車-13級、掛車-80進行試驗，在各試驗工況滿載下，各控制截面應變和變形校驗系數(shù)均小于1.0；退載后相對殘余應變與變形均小于規(guī)范規(guī)定限值的20%，即在試驗荷載作用下，橋梁結構應變校驗系數(shù)、變形校驗系數(shù)、相對殘余應變和相對殘余變形等指標滿足規(guī)范要求，表明所檢橋跨上部結構性能滿足設計要求。

（2）橋梁實測豎向一階自振頻率為9.28Hz，理論豎向一階自振頻率7.34Hz。橋梁的實測豎向一階自振頻率大于理論頻率，表明所檢橋梁成橋整體剛度滿足設計要求。在各試驗工況下，橋梁實測動力放大系數(shù)μ=0.15～0.26，均小于設計理論沖擊系數(shù)取值0.34。

（3）本文空腹式雙曲拱橋的靜動載試驗檢測過程、數(shù)據(jù)和結果可為同類型拱橋的設計、檢測及承載力評估等提供參考。