空腹式石拱橋荷載試驗研究與應用

何迪

重慶建設工程質量監督檢測中心有限公司 重慶 401336

1 工程概況

該橋建于20世紀90年代，G319線在武隆縣城的過境橋梁。橋梁上部結構為凈跨徑1×75.0m空腹式圬工拱橋，凈矢跨比為1/6，拱圈厚度1.4m，腹拱式拱上結構。荷載標準為汽車-20級，掛車-100。橋梁橫向布置為2×8.0m（石砌引拱）+75.0m（主跨石砌板拱）+2×8.0m（石砌引拱）。橋面全寬13.5m，橫向布置為2.25m（人行道+欄桿）+9.0m（車行道）+2.25m（人行道+欄桿），橋面橫坡為1.5%。橋梁下部結構為重力式墩臺，基礎為擴大基礎[1]。

2 結構內力計算

2.1 有限元建模分析

2.1.1 材料參數。主拱圈及腹拱圈、橫墻材料采用12.5號砂漿80號粗料石。材料特性通過自定義方式輸入，容重r=25kN/m3；彈性模量E=11.6×103Mpa；二期荷載32.0kN/m2。

2.1.2 計算模型建立。在模型建立過程中，需要根據結構的截面特性、材料、質量、剛度以及邊界約束條件，把握結構的整體特性，保證計算結果的準確。采用MIDAS/Civil 2019對該橋主拱圈進行有限元模擬。全橋共劃分161個節點，143個單元，計算模型如圖1所示。

圖1 空間有限元仿真模型

2.1.3 活荷載采用“汽車-20級”，按《公路圬工橋涵設計規范》（JTG D61-2005）第5.1.3條規定，活荷載計算按全拱圈結構寬建立計算模型，不考慮活荷載的橫向分布，將活載均勻分布于拱圈全寬。

3 靜載試驗

3.1 靜載試驗內容及加載方式

該橋的控制截面選取拱頂最大正彎矩K 1（距拱腳37.5m），拱腳最大負彎矩K2（距拱腳2.5m）。

靜載試驗采用300kN載重汽車加載，根據《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01-2015）規定，試驗各工況下所需加載車輛的數量，將根據設計標準活荷載產生的某工況下的最不利效應值按下式所定原則等效換算而得。

式中：η為靜力試驗荷載效率；Sstate為試驗荷載作用下某工況最大計算效應值；S為設計標準活荷載不計沖擊作用時產生的某試驗工況的最不利計算效應值；按規范取用的沖擊系數值[2]。

該橋設計荷載等級為“汽車-20級”，試驗荷載采用內力等效的原則計算，使試驗荷載效率滿足上述規定，具體布置按照各截面在最不利荷載作用下的有限元靜力分析結果確定。

采用4臺三軸重車進行等效均布荷載，計算結果見表1，測點布置如圖2所示。

表1 設計彎矩效應和試驗荷載效應

圖2 應力及撓度測點布置圖（單位：cm）

撓度測點沿縱橋向布置于主拱圈L/2，應力測點沿縱橋向布置于主拱圈L/2、拱腳截面。

3.2 應力結果測試與分析

在各試驗工況作用下K1、K2試驗截面實測應力結構校驗系數分別為0.42～0.45、0.48～0.55，試驗荷載作用下殘余應力率均在20%以內，表明橋跨結構的實際強度在現有狀態下滿足設計要求，說明結構處于彈性工作狀態[3]。各控制截面在不同工況下應力實測值與理論計算值比較見表2。

表2 試驗截面應力數據及校驗系數

3.3 撓度結果測試與分析

在各試驗工況作用下K1試驗截面實測撓度結構校驗系數為0.50～0.58，試驗荷載作用下殘余變形率均在20%以內。表明橋跨結構的實際剛度在現有狀態下滿足設計要求，說明結構處于彈性工作狀態[4]。各控制截面在不同工況下應力實測值與理論計算值比較見表3。

表3 試驗截面撓度數據及校驗系數

4 動載試驗

4.1 動力特性

動力特性試驗采用環境隨機激振法（脈動法），是指在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規則振源的情況下，通過測定橋梁由風荷載、地脈動、水流等隨機激勵引起的微幅振動來識別結構自振特性參數的方法[5]。自振特性實測結果見表4。

表4 結構自振頻率實測值與阻尼比

4.2 動力響應

動力響應試驗分為行車激振和剎車激振，試驗時采用一輛300kN加載車分別以10V、20V和30km/h幾種不同速度在試驗橋跨正常行駛與指定位置剎車，測試動態應變，用以計算試驗沖擊系數[6]。

在不同車速情況下行車試驗及剎車試驗沖擊系數見表5。

表5 K1截面下沖擊系數（1+μ）

從試驗數據分析K1截面行車試驗沖擊系數最大值為1.03，剎車試驗沖擊系數最大值為1.04，均小于規范計算值（f＜1.5Hz，規范計算沖擊系數值1+μ=1.05），說明結構在設計荷載的正常行駛狀態下不會產生過大沖擊[7]。

5 結束語

靜力荷載作用下，各工況作用下實測撓度和應力均小于理論計算值，在正常范圍之內，卸載后的相對殘余均小于20%，表明受檢橋跨處于彈性工作狀態，試驗完成后，經觀察各控制截面均未發現新增裂縫。

動力荷載作用下，現場實測頻率大于理論計算頻率，可認為結構實際剛度大于理論剛度；實測阻尼比在正常范圍內，實測豎向一階振型與計算一階振型吻合；行車及剎車試驗，實測沖擊系數均小于規范計算值，表明行車性能良好。

綜上所述，橋跨結構現階段工作狀態滿足設計荷載等級的要求，結構實際剛度大于理論剛度，結構在設計荷載的正常行駛狀態下不會產生過大沖擊。

本次通過荷載試驗，掌握了該橋結構現狀及受力情況，為今后橋梁的運營、養護、管理及加固維修提供技術依據。