既有大跨度钢筋混凝土拱桥荷载试验.pdf

1 0 4 桥梁结构 城 市道桥 与 防洪 2 0 1 3 年 4 月第 4 期 既有大跨度钢筋混凝土拱桥荷载试验 甘 袁华 ( 六盘 水市 规划 设计研 究 院 ， 贵州六 盘水5 5 3 0 0 1 ) 摘 要 ： 在 对既 有钢筋 混凝土拱 桥进 行有 限元分析 的基 础上 ， 在满 足荷载试 验效 率 的前提下 ， 首 先确定 荷 载试验 工况 、 车辆 荷 载 及布置、 试验分级及测试项目等关键内容 ， 然后对其进行现场荷载试验。 通过现场加载试验来对其承载能力进行评定， 进一步明确 钢筋混凝土拱桥荷载试验的步骤和重点。 关键 词 ： 钢筋 混凝土拱 桥 ； 荷 载试验 ； 有限元分 析 ； 应 变 ； 挠度 ； 裂缝 中图分类号 ： U 4 4 6 文 献标 识码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 1 0 4 0 4 0引言 2 试验基本原则及工况布载 拱桥是在我 国的桥梁建设 中较广泛使用 的一 种桥型 。相对于梁桥来说 ， 在竖 向荷载作用下水平 推力的存在大大降低了拱圈中的弯矩 ，使得主拱 截面以受压 为主 ，从而 可以充分发挥混凝 土材料 的抗压强 度 ，这在很大程度上使得钢筋混凝 土拱 桥的跨越能力比一般钢筋混凝土梁桥大得多【” 。 我 国的钢筋混 凝土拱 桥大 多建 于 2 O世纪八 九十年代 ， 在长期的使用过程中， 由于材料老化、 环境 侵蚀 以及 荷 载标 准提 高 等各 方面 的不 利 影 响 ，大量的既有钢筋混凝 土拱桥 出现 了各种各样 的病害 ，直接影响到桥 梁结构的正 常使 用和安全 通行【2 1 。因此 ， 对既有钢筋混凝土拱桥进行检查 、 检 测和评定 ， 确定其当前 的技术状况 、 使用性能和承 载能力就显得异常重要 。 本文 以一座典 型 的钢筋混 凝土拱 桥为 例 ， 通 过现场加载试验来对其承载能力进行评定 ，进一 步 明确钢筋混 凝土拱桥 荷载试验 的步骤 和重点 ， 对同类型桥梁的检测和评定有借鉴作用。 1 桥 梁概 况 某上 承式钢筋混凝土肋拱桥 ， 一孔跨河 ， 拱轴 线为悬链 线。 桥梁全长 6 6 m， 拱肋净跨径为 4 5 m， 净矢高为 7 5 m， 矢跨 比为 1 6， 拱轴系数 为 1 3 4 7 。 该 桥 的设 计 荷 载 为汽 车 一 1 5级 ， 桥 面 宽 度 为净 一 4 5 m( 行车道 ) + 20 2 5 m( 安全带 ) 。 桥梁的主拱拱肋 、 横隔板、 立柱、 盖梁、 行车道 连续板等均为现浇钢筋混凝土结构 ，其中拱肋采 用 3 0 # 混凝土， 横隔板、 立柱、 盖梁 、 行车道连续板 等采用 2 5 #混凝土。两侧桥台采用重力式桥台， 台 身采用块石混凝土 ， 基础采用片石混凝土 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 2 0 6 作者简介： 甘袁华( 1 9 6 3 一 ) ， 女， 四川邻水人 ， 高级工程师， 主 要从事道路与桥梁工程设计研究工作。 桥梁荷载试验通 常需按荷 载效 率 卵来确定试 验采用 的最大荷载 ， 荷载效率 田的计算公式 为 ： ( 1 ) 式 ( 1 ) 中 试验荷载作用下检测部位变形或 内力的计算值 ； s 设计荷载作用下检测部位变形或 内 力 的计算值 ； d 设计取用 的动力系数 。 实 际荷 载试 验时 ，荷载效率宜控 制在 0 8 0 1 0 5之间 。 根据 当前 的试 验规程 ， 并结合所研究桥梁 的 实际情况 ， 具体荷载试验的工况设置如表 1 所列。 表 1 试验 工况表 工况序 号 工况名称 I I I I I I L 截面最大正弯矩加载工况 拱顶截面最大正弯矩 加载工况 拱脚截面最大负弯矩 加载工况 为了最有效地进行荷载试验 ， 通常需要在影响 线最大值 附近区域进行最不利加载 ，因此就有必 要根据确定 的各个工况计算相应截 面的内力影响 线 ， 从而为试验加载提供理论指导。采用有 限元方 法建立如 图 1 所示 的桥梁空间有 限元模 型。 图 1 桥 梁空 间有限元模 型 经过有限元分析， 计算得到的各关键截面的内力 影响线如图 2 图 4所示。在对桥梁进行理论分析的 过程中， 3 0 #混凝土的弹性模量取为 3 0 31 0 4 MP a ， 2 5 #混凝土的弹性模量取为 2 8 5 Z 1 0 MP a 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 4 月第 4 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构 1 0 5 1 , l踌 截 庙 i弯 矩 黉 响 线 t i l ， 、 f 、 一 一 ， 图 2 U4截面弯 矩影响 线 ， ， + i | I 2 。1 I 1 。 一 距 m 加 拍 。 。 图 3 拱顶 截面弯矩 影响线 、 、 I 拱 截 面 弯 镉 景 ；响 线 一 | 、 跑 禺 图 4 拱脚截面弯矩影响线 试验荷载一方面应保证结构 的安全性 ， 另一方 面又应要求能够充分暴露结构的承载能力圈 。 在保证 荷载试验效率 的基础上 ， 根据 当地 能够获得的车辆 条件 ， 最终采用 的试验车辆为 2 辆 4轴载重汽车， 1 # 车的载重为 4 5 0 0 k N， 2 #车的载重为 2 3 0 0 k N。 根据影响线形状 、 确定的加载车辆， 并在保证 达到荷载试验效率的基础上 ，各加载工况试验车 辆在桥面上的具体布置如图 5 所示。 f 【L 蠢 0 ( b )工况 I I 布载 图 匹堕 3 L 4 ( c )工况布载图 图5 各工况加载车辆布置( 单位： m) 根据确定 的加载车辆 和车辆布置方案 ， 计算得 到在试 验荷载 作用下对 应 于汽车 一 1 5级级荷 载 ， 各荷载工况的荷载效率如表 2所列 。 表 2 荷载效 率表 在荷 载试 验过程中 ， 采用分级加载方式 ， 加 载 前读取初始读数 ， 每级加载待变形稳定后读 数 ， 加 载完毕后卸载 ， 加载分级如表 3所列 。 表 3 各荷载 工况加载 分级 3 测试项 目及测点布置 根据当前 的试验规程和现场实 际情况 ， 在试验 荷载作用下 ， 主要对桥梁关键截 面的应力应 变 、 挠 度和裂缝等项 目进行观测。 应变测 点主要布置在下游拱肋 的 L 4截面 、 拱 顶截面和拱脚 截面 ， 每个截 面布置两个应变 测点 ， 分别位于截面上缘和截面下缘 ， 如图 6所示 。 圈 6匝变 测 点 布 置 图 挠度测点分别位于 L 4截面和拱顶截面。 在荷 载试验过程中， 对全桥特别是对拱顶、 拱脚截面等 敏感部位在加载前后均进行仔细的裂缝观测。首 先 目测搜寻有无裂缝 ， 如发现裂缝， 则测量其分布 长度和裂缝宽度。 2 l 0 罂醯 3 2 l 0 l 2 3 蛋箍一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 6 桥梁结构 城 市道桥 与防 洪 2 0 1 3 年 4 月第 4 期 4 结 果分析及讨 论 根据当前的试验规程 ，引入校验系数来描述 试验值与理论分析值之间的相互比较 ，来评定结 构整体受力性能l 4 】。 0 6 g = 鲁一 0 ( 2 ) 式 ( 2 ) 中： S 试验荷载作用下 量测的弹性变位 ( 或应变 ) 值 ； Js 一设计荷载作用下 的理论计算变位 ( 或应变) 值； 、 校验系数的限界 ， 对 于各种不 同 的桥型其常见范围如表 4所列 。 表 4 桥 梁校验 系数常值表 在对测试结果进行处理 的过程 中 ，应变 以拉 为正以压为负 ， 挠度以向下为正 ， 向上为负 。 4 1 工 况 l 在工况 I 的加载车辆作用于桥梁时 ， 各测点的 实测应变及与理论应变之间的比较如表 5所列。 表 5 工况 l 应变结果 表 工况 测点位置 实测应变 ， 坩理论应变 ， 校验系数 在工况 I 的加载车辆作用于桥梁 时 ， 各测点的 实测挠度与理论挠度之间的比较如表 6所列 。 表 6 工况 I 挠 度结果表 从 表 中可 以 看 出 ，应 变 的 校 验 系 数 位 于 0 7 7 0 8 8 之 间 ， 位移 的校验系数位 于 0 8 0 0 8 6之 间 ，残 余 变 形 与 最 大 变 形 之 间 的 比 值 为 0 3 2 9 = 0 1 0 ， 满足相关试验规程的限值要求 ， 表 明 桥梁结构的弹性工作性能 良好 。 同时 ， 在工况 I的试验车辆加载过程 中及加载 前后 ， 没有观测 到结构性裂缝 的出现。 4 2 工 况 I l 在工况 I I 的加载车辆作用于桥梁上时， 各测点 的实测应变与理论应变之间的 比较如表 7所列 。 表 7 工况 I I 应变结 果表 在工况 I I 的加载车辆作用于桥梁上时 ，各测 点实测挠度与理论挠度之间的比较如表 8所列。 表 8 工况 l l 挠 度结果表 从 表 中 可 以 看 出 ，应 变 的校 验 系 数 位 于 0 6 9 0 8 5之间 ，位移的校验系数位于 0 8 1 0 8 7之 间 ， 残余变形与最大变形之间的比值为 0 2 3 3 = 0 0 6 ， 满足相关 试验规程 的限值要 求 ，表明桥梁结构 的 弹性工作性能 良好 。 同时 ，在工况 I I 的试验 车辆加载过程 中及加 载前后 ， 没有观测到结构性裂缝的出现 。 4 3 工 况 在工况 I I I 的加载车辆作用于桥梁上时， 各测点 的实测应变与理论应变之问的比较如表 9 所列。 在工况 I I I 的加载车辆作用于桥梁上时， 各测点 的实测挠度与理论挠度之 间的 比较如表 l 0所列。 从 表 中 可 以 看 出 ，应 变 的 校 验 系 数 位 于 0 7 4 0 8 4之 间， 位移 的校验 系数位于 0 8 1 0 8 6之 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 4 月第 4 期 城 市道桥与 防洪 桥梁结构 1 0 7 表 9工况 应 变结果表 工况 测点位置 实测挠度 mm 实测挠度 mm校验系数 间， 残余变形与最大变形之问的比值为 0 1 2 4 = 0 0 4 ， 满 足相关试验 规程 的限值要求 ， 表 明桥 梁结 构 的弹性工作性能 良好 。同时 ， 在工况 I I I的试验 车辆加载过程 中及加载前后 ，没有观测到结构性 裂缝的出现 。 5 结论 通过对既有大跨钢筋混凝土拱桥进行荷 载试 验 ， 进一步明确 了桥梁荷载试验的步骤 和重点。荷 载试验 的结果表明 ，所 检测桥梁 的各类 校验 系数 满足试验规程的要求， 弹性工作性能良好。本文所 做的研究工作对 同类 型桥梁 的检测 和评定具有借 鉴 意 义 参考文献 1 邵 旭东 桥梁工程【 M 北京 ： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 7 【 2 吴文东 危旧拱桥综合加固技术探讨 J J 城市道桥与防洪 ， 2 0 1 0 ( 2) ： 8 8 9 1 3 王建华 ， 孙胜江 桥涵工程试验检测技术 M 北京 ： 人民交通出 版社 ， 2 0 0 4 4 】 J T G T J 2 1 2 0 1 1 ， 公路 桥梁承载 能力评定 规程 S 【 5 谌润水， 胡钊芳 公路桥梁荷载试验 M 】 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 3 ( 上 接 第 1 0 3页 ) 所采用 的开孔板 连接件 主要为 多孔 抗剪 的形式 ， 底部混凝土的承压作用相对很小 ， 可忽略不计 。 H o s a k a 等人对 贯通钢筋的抗剪作用进行 了研 究 ， 将开孔板的抗剪极限承载力分为有贯通钢筋 和 无贯通钢筋两种。 在有贯通钢筋的计算式 中， 认为开 孔 板的极 限承载力 由孔 中混凝 土和贯通钢筋分别 作用 ， 通过试验数据的回归分析 ， 提出了计算式 ： r ， Q = 1 4 5 l ( d 一 d ) + l 一 2 6 1 0 0 N i s h i u m等人通过试验观察到开孔板连接件在 最 大荷载作用时 ， 贯通钢筋都 已屈服 ， 依据试 验数 据建立了计算式： Q 2 6 A c 1 2 3 A s A s A c 1 2 8 Q 2 6 A c 1 2 3 A s A s A c 1 2 8 钢混结合 梁中对 剪力件 内力影响 的因素 主要 有 ： 恒载( 包括二期恒载 ) ， 温度 、 混凝土收缩徐变 、 活载等。考虑最不利组合， 开孔板连接件每延米最 大 拉 拔 力 为 3 6 4 8 k N， 每延 米 最 大 横 向剪 力 为 1 3 3 4 9 k N， 每延米最大纵 向剪力 为 7 5 8 8 k N。根 据上述 H o s a k a公式 和 N i s h i u m公式计算 ，开孔板 抗剪板极限承载力满足使用要求 。 5 结论 开孑 L 板连接件具有抗剪强度大 、 不易疲劳等优 点 ， 在需要现场焊接 的维修项 目中 ， 更具有施工简 便 的优点。通过通车近一年 的检验 ， 维修后的海 门 桥行车舒适性及安全性均得到了大幅度提升。 参 考文献 1 占玉林， 赵人达， 毛学明 钢 一混凝土组合结构中剪力连接件承 载力 的比较f J 四川 建筑科 学研究 ， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 6 ) ： 1 6 1 9 【 2 刘玉 擎 组合结 构桥梁 M 北京 ：人 民交通 出版社， 2 0 0 5 3 吴冲 现代钢桥【 M 】 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 6 4 赵晨 开孔板连 接件抗 剪性 能试验及设 计方 法研究 D 上 海 ： 同 济 大学 ， 2 0 0 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m