荷载试验在某石拱桥拓宽加固分析中的应用★

刘 恒 刘宁辉 杨 妲 刘华兴

(湖南高速铁路职业技术学院铁道工程学院，湖南 衡阳 421002)

0 引言

石拱桥是一种古老的桥型，在山区、河谷应用较多，便于就地取材。但一些石拱桥由于建设年代较久远，桥梁设计标准已不能满足现今交通量的需求，因此需要进行拓宽加固。拓宽加固之前需要对结构进行验算和试验，以验证结构承载能力是否能满足新增荷载作用。荷载试验能较直观地反映结构受力和变形情况，应用较为广泛。

1 工程概况

某石拱桥位于湖南西部山区，于20世纪80年代竣工，该桥桥跨结构形式为单跨空腹式石拱桥，主拱圈截面形式为倒T形板拱，由于建设年代久远，原设计、施工资料缺失，现场实测该桥主拱圈为悬链线，拱轴系数m=1.412，主拱圈净跨径40 m，桥面全宽5.5 m=净5.0 m(行车道)+2×0.25 m(栏杆)，拟在两侧悬挑钢筋混凝土梁，各加宽1 m，加宽后桥面全宽7.5 m=5.0 m(行车道)+2×1.0 m(人行道)+2×0.25 m(栏杆)，拟加固设计荷载为城—B级，人群3.5 kN/m2。桥面为现浇C40钢筋混凝土，下部结构为重力式桥台。

2 静载试验

2.1 有限元计算模型

依据现场实测数据，采用桥梁结构有限元分析软件MIDAS/Civil建模分析。对该桥上部结构进行建模分析，共划分为174个单元和141个节点。主拱圈和腹拱与桥台连接边界为刚接，腹拱与横墙、横墙与主拱圈采用一般弹性连接中的刚性连接，拱上填料采用梁单元模拟，在桥面混凝土和主拱圈、腹拱圈连接采用释放梁端约束，承受和传递竖向荷载，不产生弯矩。全桥有限元模型见图1。

2.2 测试内容

1)拱顶挠度。

挠度采用百分表测试，拱顶位置两侧各布置一个测点。挠度测点布置见图2。

2)主拱圈应力。

在拱顶、拱脚截面主拱圈下缘两侧各粘贴一个应变片，应变采用JM3813多功能静态应变仪测试。根据材料弹性模量由胡克定律计算得出各测点的应力。应变测点布置见图2。

3)裂缝。

裂缝观测先采用目测和望远镜搜索，发现有裂缝后采用裂缝观测仪测量裂缝宽度，用钢尺测量其长度。

2.3 试验加载

经计算，本次试验采用1台总重450 kN的三轴汽车进行加载，一次性加载和一次性卸载。试验共分为两个工况。

工况Ⅰ：拱顶截面最大正弯矩(中载)。

拱顶截面弯矩影响线见图3。

工况Ⅰ加载车辆布置见图4。

工况Ⅱ：拱脚截面最大正弯矩(偏载)。

拱脚截面弯矩影响线见图5。

工况Ⅱ加载车辆布置见图6。

各工况荷载效率系数见表1。

表1 静载试验效率系数表

2.4 静载试验数据处理

1)拱顶挠度。

拱顶实测挠度由拱顶截面实测值进行支座修正后得到的数值，挠度数据见表2。

表2 挠度测试结果 mm

从表2中可以看出，各工况下各测点挠度校验系数介于0.70～0.84之间，各测点校验系数均小于1，各测点相对残余变位均小于20%，说明在拟加固荷载等级作用下结构刚度较好。

2)主拱圈应力。

主拱圈实测应变由仪器自动记录，应力根据胡克定律由实测应变和材料的弹性模量计算得出。各测试截面应变数据见表3，表中数据为同一截面两处应变的平均值。

表3 应变测试结果 με

从表3中可以看出，各工况下各测点应变校验系数介于0.76～0.78之间，各测点校验系数均小于1，各测点相对残余应变均小于20%，说明结构强度能满足拟加固设计荷载作用。

3)裂缝。

未发现裂缝。

3 动载试验

3.1 理论分析

利用上述模型，采用Lanczos法进行动力性能分析。全桥前两阶计算结果见表4，振型图见图7。

表4 模态计算结果表

3.2 自振特性结果

利用环境激励测定结构自振特性，时程曲线和频谱分析见图8。

从图8分析得出，结构一阶自振频率实测值为5.875 Hz，大于理论值2.439 Hz，说明结构刚度较好。

4 结语

1)在拟加固设计荷载作用下，各测点挠度、应变校验系数介于0.70～0.84之间，均小于1，残余变位基本上在20%以内，结构未出现裂缝，说明该桥安全储备较高，能满足拟加固设计荷载要求。

2)该桥试验跨实测自振频率大于理论计算值，结构动力性能满足设计及规范要求。