既有大跨度鋼筋混凝土拱橋荷載試驗(yàn)

甘袁華

（六盤水市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，貴州六盤水 553001）

0 引言

拱橋是在我國的橋梁建設(shè)中較廣泛使用的一種橋型。相對于梁橋來說，在豎向荷載作用下水平推力的存在大大降低了拱圈中的彎矩，使得主拱截面以受壓為主，從而可以充分發(fā)揮混凝土材料的抗壓強(qiáng)度，這在很大程度上使得鋼筋混凝土拱橋的跨越能力比一般鋼筋混凝土梁橋大得多[1]。

我國的鋼筋混凝土拱橋大多建于20世紀(jì)八九十年代，在長期的使用過程中，由于材料老化、環(huán)境侵蝕以及荷載標(biāo)準(zhǔn)提高等各方面的不利影響，大量的既有鋼筋混凝土拱橋出現(xiàn)了各種各樣的病害，直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用和安全通行[2]。因此，對既有鋼筋混凝土拱橋進(jìn)行檢查、檢測和評定，確定其當(dāng)前的技術(shù)狀況、使用性能和承載能力就顯得異常重要。

本文以一座典型的鋼筋混凝土拱橋?yàn)槔?，通過現(xiàn)場加載試驗(yàn)來對其承載能力進(jìn)行評定，進(jìn)一步明確鋼筋混凝土拱橋荷載試驗(yàn)的步驟和重點(diǎn)，對同類型橋梁的檢測和評定有借鑒作用。

1 橋梁概況

某上承式鋼筋混凝土肋拱橋，一孔跨河，拱軸線為懸鏈線。橋梁全長66 m，拱肋凈跨徑為45 m，凈矢高為7.5 m，矢跨比為1/6，拱軸系數(shù)為1.347。該橋的設(shè)計(jì)荷載為汽車-15級，橋面寬度為凈-4.5 m（行車道）+2×0.25 m（安全帶）。

橋梁的主拱拱肋、橫隔板、立柱、蓋梁、行車道連續(xù)板等均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中拱肋采用30#混凝土，橫隔板、立柱、蓋梁、行車道連續(xù)板等采用25#混凝土。兩側(cè)橋臺采用重力式橋臺，臺身采用塊石混凝土，基礎(chǔ)采用片石混凝土。

2 試驗(yàn)基本原則及工況布載

橋梁荷載試驗(yàn)通常需按荷載效率η來確定試驗(yàn)采用的最大荷載，荷載效率η的計(jì)算公式為：

式（1）中:Sstat——試驗(yàn)荷載作用下檢測部位變形或內(nèi)力的計(jì)算值；S——設(shè)計(jì)荷載作用下檢測部位變形或內(nèi)力的計(jì)算值；

d——設(shè)計(jì)取用的動(dòng)力系數(shù)。

實(shí)際荷載試驗(yàn)時(shí)，荷載效率宜控制在0.80～1.05 之間[3]。

根據(jù)當(dāng)前的試驗(yàn)規(guī)程[4]，并結(jié)合所研究橋梁的實(shí)際情況，具體荷載試驗(yàn)的工況設(shè)置如表1所列。

表1 試驗(yàn)工況表

為了最有效地進(jìn)行荷載試驗(yàn)，通常需要在影響線最大值附近區(qū)域進(jìn)行最不利加載，因此就有必要根據(jù)確定的各個(gè)工況計(jì)算相應(yīng)截面的內(nèi)力影響線，從而為試驗(yàn)加載提供理論指導(dǎo)。采用有限元方法建立如圖1所示的橋梁空間有限元模型。

圖1 橋梁空間有限元模型

經(jīng)過有限元分析，計(jì)算得到的各關(guān)鍵截面的內(nèi)力影響線如圖2～圖4所示。在對橋梁進(jìn)行理論分析的過程中，30#混凝土的彈性模量取為3.03×104MPa，25#混凝土的彈性模量取為2.85×104MPa。

圖2 L/4截面彎矩影響線

試驗(yàn)荷載一方面應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的安全性，另一方面又應(yīng)要求能夠充分暴露結(jié)構(gòu)的承載能力[5]。在保證荷載試驗(yàn)效率的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)?shù)啬軌颢@得的車輛條件，最終采用的試驗(yàn)車輛為2輛4軸載重汽車，1#車的載重為450.0 kN，2#車的載重為230.0 kN。

根據(jù)影響線形狀、確定的加載車輛，并在保證達(dá)到荷載試驗(yàn)效率的基礎(chǔ)上，各加載工況試驗(yàn)車輛在橋面上的具體布置如圖5所示。

圖5 各工況加載車輛布置（單位：m）

根據(jù)確定的加載車輛和車輛布置方案，計(jì)算得到在試驗(yàn)荷載作用下對應(yīng)于汽車-15級級荷載，各荷載工況的荷載效率如表2所列。

表2 荷載效率表

在荷載試驗(yàn)過程中，采用分級加載方式，加載前讀取初始讀數(shù)，每級加載待變形穩(wěn)定后讀數(shù)，加載完畢后卸載，加載分級如表3所列。

表3 各荷載工況加載分級

3 測試項(xiàng)目及測點(diǎn)布置

根據(jù)當(dāng)前的試驗(yàn)規(guī)程和現(xiàn)場實(shí)際情況，在試驗(yàn)荷載作用下，主要對橋梁關(guān)鍵截面的應(yīng)力應(yīng)變、撓度和裂縫等項(xiàng)目進(jìn)行觀測。

應(yīng)變測點(diǎn)主要布置在下游拱肋的L/4截面、拱頂截面和拱腳截面，每個(gè)截面布置兩個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，分別位于截面上緣和截面下緣，如圖6所示。

圖6 應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

撓度測點(diǎn)分別位于L/4截面和拱頂截面。在荷載試驗(yàn)過程中，對全橋特別是對拱頂、拱腳截面等敏感部位在加載前后均進(jìn)行仔細(xì)的裂縫觀測。首先目測搜尋有無裂縫，如發(fā)現(xiàn)裂縫，則測量其分布長度和裂縫寬度。

4 結(jié)果分析及討論

根據(jù)當(dāng)前的試驗(yàn)規(guī)程，引入校驗(yàn)系數(shù)來描述試驗(yàn)值與理論分析值之間的相互比較，來評定結(jié)構(gòu)整體受力性能[4]。

式（2）中：Se——試驗(yàn)荷載作用下量測的彈性變位（或應(yīng)變）值；

Sstat——設(shè)計(jì)荷載作用下的理論計(jì)算變位（或應(yīng)變）值；

α、β——校驗(yàn)系數(shù)的限界，對于各種不同的橋型其常見范圍如表4所列。

表4 橋梁校驗(yàn)系數(shù)常值表

在對測試結(jié)果進(jìn)行處理的過程中，應(yīng)變以拉為正以壓為負(fù)，撓度以向下為正，向上為負(fù)。

4.1 工況I

在工況I的加載車輛作用于橋梁時(shí)，各測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變及與理論應(yīng)變之間的比較如表5所列。

表5 工況I應(yīng)變結(jié)果表

在工況I的加載車輛作用于橋梁時(shí)，各測點(diǎn)的實(shí)測撓度與理論撓度之間的比較如表6所列。

表6 工況I撓度結(jié)果表

從表中可以看出，應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)位于0.77～0.88之間，位移的校驗(yàn)系數(shù)位于0.80～0.86之間，殘余變形與最大變形之間的比值為0.3/2.9=0.10，滿足相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程的限值要求，表明橋梁結(jié)構(gòu)的彈性工作性能良好。

同時(shí)，在工況I的試驗(yàn)車輛加載過程中及加載前后，沒有觀測到結(jié)構(gòu)性裂縫的出現(xiàn)。

4.2 工況II

在工況II的加載車輛作用于橋梁上時(shí)，各測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變與理論應(yīng)變之間的比較如表7所列。

表7 工況II應(yīng)變結(jié)果表

在工況II的加載車輛作用于橋梁上時(shí)，各測點(diǎn)實(shí)測撓度與理論撓度之間的比較如表8所列。

表8 工況II撓度結(jié)果表

從表中可以看出，應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)位于0.69～0.85之間，位移的校驗(yàn)系數(shù)位于0.81～0.87之間，殘余變形與最大變形之間的比值為0.2/3.3=0.06，滿足相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程的限值要求，表明橋梁結(jié)構(gòu)的彈性工作性能良好。

同時(shí)，在工況II的試驗(yàn)車輛加載過程中及加載前后，沒有觀測到結(jié)構(gòu)性裂縫的出現(xiàn)。

4.3 工況III

在工況III的加載車輛作用于橋梁上時(shí)，各測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變與理論應(yīng)變之間的比較如表9所列。

在工況III的加載車輛作用于橋梁上時(shí)，各測點(diǎn)的實(shí)測撓度與理論撓度之間的比較如表10所列。

從表中可以看出，應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)位于0.74～0.84之間，位移的校驗(yàn)系數(shù)位于0.81～0.86之間，殘余變形與最大變形之間的比值為0.1/2.4=0.04，滿足相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程的限值要求，表明橋梁結(jié)構(gòu)的彈性工作性能良好。同時(shí)，在工況III的試驗(yàn)車輛加載過程中及加載前后，沒有觀測到結(jié)構(gòu)性裂縫的出現(xiàn)。

表9 工況III應(yīng)變結(jié)果表

表10 工況III撓度結(jié)果表

5 結(jié)論

通過對既有大跨鋼筋混凝土拱橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，進(jìn)一步明確了橋梁荷載試驗(yàn)的步驟和重點(diǎn)。荷載試驗(yàn)的結(jié)果表明，所檢測橋梁的各類校驗(yàn)系數(shù)滿足試驗(yàn)規(guī)程的要求，彈性工作性能良好。本文所做的研究工作對同類型橋梁的檢測和評定具有借鑒意義。

[1]邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2007.

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