尤溪清溪口大橋荷載試驗

廖福星

(三明市交通建設(shè)投資有限公司 福建三明 365000)

圬工拱橋外形優(yōu)美，承載能力強，應(yīng)用范圍廣泛[1]。近年來，隨著交通路網(wǎng)建設(shè)的開展，交通量的增加，車輛荷載等級的提高，對現(xiàn)存的圬工拱橋的技術(shù)要求也相應(yīng)提高。尤溪縣清溪口大橋位于縣道X733，為七官場、清溪口等幾個自然村去往尤溪縣城的必經(jīng)之道，距離省道S206跨尤溪橋約200m。該橋為2跨26.7m敞肩式石拱橋，總體布置如(圖1)。大橋原設(shè)計荷載等級為汽車-10級，由于使用年限較長，目前橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)有承載力是否還能安全承受設(shè)計荷載，需要通過荷載試驗來檢驗。

圖1 清溪口大橋總體布置圖單位:cm

1 外觀檢查

在全橋外觀檢查中病害情況較為嚴重。在2#臺拱腳中心線處水泥鋪裝層錯臺，板塊凹陷、填料外露;主拱圈1#孔、2#孔主拱圈多處存在砂漿面層脫落、滲水、泛白等跡象;腹拱存在多處貫通裂縫，最大處裂縫寬度達到1cm;2#橋臺砌體大范圍出現(xiàn)破損、剝落、松動、變形等現(xiàn)象。而臺背路面明顯沉降，橋頭跳車嚴重。主要病害圖詳見(圖2)所示。按公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T H21-2011)[2]對橋梁技術(shù)狀況進行評定，判定大橋橋梁總體技術(shù)狀況評定為5類。

圖2 清溪口大橋主要病害圖

橋面平整度對車輛振動位移響應(yīng)、沖擊系數(shù)等均有較大的影響。因此，外觀檢查還對橋面平整度進行了測定。量測過程中選用TOKIMEC生產(chǎn)的激光連續(xù)式平整儀LP_300A，測定間距為5cm，沿路緣兩側(cè)共測得2條橋面縱斷面高程。從路面平整度曲線圖(圖3)中可以看出，清溪口大橋路面平整度測量距離為133m，測量結(jié)果標準偏差為7.86mm;清溪口大橋絕大多數(shù)接縫兩側(cè)出現(xiàn)高差現(xiàn)象，其高差大于10mm，表明該橋的路面平整度較差。

2 靜載試驗

靜載試驗采用等效設(shè)計荷載對橋梁結(jié)構(gòu)實施加載。試驗荷載下的各測試項目達到檢測規(guī)范要求“主拱拱頂截面撓度和主拱3L/4截面撓度效應(yīng)達到設(shè)計值的95～105%(靜載試驗效率η)”見(表1)。

橋梁的撓度測試截面設(shè)置在1#、2#橋孔的兩個拱腳、L/4、L/2和3L/4截面位置對應(yīng)橋面系位置，共布置18個測點(圖4)。試驗過程中采用徠卡電子水準儀配合條碼尺，對橋面測點標高進行量測，以得到橋面豎向變形。

理論分析采用橋梁專用有限元程序MIDAS CIVIL[3]建立有限元模型，主拱圈、腹拱圈、立墻和橋面板采用三維梁單元進行模擬，側(cè)墻和拱上填料采用集中荷載和梯形荷載進行模擬。模型共劃分306個單元、326個節(jié)點。有限元模型(圖5)。通過計算試驗荷載作用下結(jié)構(gòu)的豎向變形，對比試驗實測撓度，判定橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)有技術(shù)狀況。

表1 靜載測試工況及測試內(nèi)容

圖3 清溪口大橋?qū)崪y路面平整度曲線

圖4 清溪口大橋撓度測點縱橋向布置

圖5 清溪口大橋有限元模型

限于篇幅，下(表2、表3)及(圖6)示出了靜載試驗的撓度測試的部分結(jié)果。從中可見，結(jié)構(gòu)撓度規(guī)律與有限元計算基本一致;控制截面測點撓度校驗系數(shù)的最大值為0.86，符合《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》規(guī)定的撓度校驗系數(shù)不大于1.00的要求。退載后變形基本可恢復(fù)，控制測點的最大相對殘余變形基本符合《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中的殘余變形不超過20%的限值要求。但同時(表3)數(shù)據(jù)表明，工況二作用下，測點1-8殘余變形28.57%，大于20%的要求。因此，主拱圈承載能力不滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》要求。

表2 工況二各測點撓度實測值與理論值的比較(單位:mm)

表3 工況三各測點撓度實測值與理論值的比較(單位:mm)

圖6 不同工況下各測點撓度實測值與理論值關(guān)系圖

3 動載試驗

動載試驗主要進行環(huán)境脈動試驗及強迫振動試驗，以測試結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。(圖7)示出了清溪口大橋拱頂截面實測的環(huán)境振動時程曲線。實測豎向一階自振頻率為3.23Hz，略小于理論計算值3.85Hz，實測振型與理論計算振型基本一致。

圖7 環(huán)境振動試驗的加速度時程曲線

沖擊系數(shù)是確定車軸荷載對橋梁動力作用的重要技術(shù)參數(shù)，沖擊系數(shù)的大小綜合反映了橋面平整度、運行車輛的動力性能、車速等因素對結(jié)構(gòu)動力性能的影響。將應(yīng)變時程曲線進行時域分析后得不同車速下的沖擊系數(shù)，列于(表4)中?？梢妼崪y標準荷載作用下車輛對橋梁的沖擊系數(shù)為1.18～1.54。按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[4]的規(guī)定，設(shè)計沖擊系數(shù)應(yīng)取1.00。因此，在正常行車時，清溪口大橋?qū)崪y沖擊系數(shù)比設(shè)計值大，沖擊系數(shù)較大的主要原因在于路面不平整和橋面鋪裝錯臺。

表4 清溪口大橋?qū)崪y沖擊系數(shù)

4 結(jié)論

1)根據(jù)外觀檢查中發(fā)現(xiàn)主要病害，如主拱圈1#孔、2#孔主拱圈多處存在砂漿面層脫落、滲水、泛白等跡象;腹拱存在多處貫通裂縫等，按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T H21-2011)對橋梁技術(shù)狀況進行評定，判定大橋橋梁總體技術(shù)狀況評定為5類。

2)清溪口大橋靜載試驗按設(shè)計荷載汽-10級進行等效布載，本次靜載試驗效率為η=0.96～1.02，試驗是有效的。試驗工況下，撓度規(guī)律與理論計算基本一致;控制截面測點撓度校驗系數(shù)的最大值為0.86，符合規(guī)程(JTG/T J21-2011)規(guī)定的撓度校驗系數(shù)不大于1.00的要求。但退載后控制測點的最大相對殘余變形為28.57%，超過規(guī)程(JTG/T J21-2011)規(guī)定的殘余變位20.00%的限值。

3)清溪口大橋環(huán)境振動實測豎向一階自振頻率為3.23Hz，略小于理論計算值3.85Hz，實測振型與理論計算振型一致。實測標準荷載作用下車輛對橋梁的沖擊系數(shù)為1.18～1.54，大于《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)

中規(guī)定設(shè)計沖擊系數(shù)1.00的要求。因此，在正常行車時，清溪口大橋?qū)崪y沖擊系數(shù)比設(shè)計值大，沖擊系數(shù)較大的主要原因在于路面不平整。

[]范立礎(chǔ).橋梁工程(第二版)[M].人民交通出版社.2012.

[2]JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

[3]橋梁工程軟件MIDAS CIVIL應(yīng)用工程實例[M].人民交通出版社.北京，2011.

[4]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].