某钢筋混凝土刚架拱桥荷载试验及性能评定.pdf

公路 交通技术2 0 1 4年 8月 第4期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t A u g 2 0 1 4 N o 4 某钢筋混凝土刚架拱桥荷载试验及性能评定 谭小林 ( 重庆桥梁检测加固技术服务中心， 重庆4 0 0 0 2 0 ) 摘要 ： 基于对某钢筋混凝土刚架拱桥静载试验、 动载试验及其结果的评定分析， 介绍钢筋混凝土刚架拱桥荷载试 验的方法与要点。结合有限元分析， 将该桥试验结果与计算结果及规范值进行比较， 以评价其结构的状态。 关键词 ： 刚架拱桥 ； 荷栽试验； 性能评定； 有限元分析 文章编号： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 9 2 0 4 中图分类号： U 4 4 8 2 2 文献标识码： B As s e s s me n t f o r L o a d T e s t s a n d P e r f o r ma n c e o f So me Re in f o r c e d Co n c r e t e Rig id f r a me d Ar c h Br id g e TAN Xi a o l i n Ab s t r a c t ：B a s e d o n a s s e s s me n t f o r s t a t i c a n d d y n a mi c l o a d t e s t s a n d r e s u l t s f o r s o me r e i n f o r c e d c o n c r e t e r i g i d f r a me d a r c h b r i d g e， t h i s p a p e r i n t r o d u c e s me t h o d s a n d k e y p o i n t s o f l o a d t e s t s f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ri g i d f r a me d a r c h b r i d g e s I n c o mb i n a t i o n wi t h fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s ， t h e p a p e r c o mp a r e s t h e t e s t r e s u l t s o f b r i d g e wi t h c a l c u l a t e d r e s u l t s a n d s t a n d a r d v a l u e s t o e v a l u a t e i t s s t a t u s i n q u o Ke y wo r ds：rig i d fla me d a r c h b ridg e；l o a d t e s t ；p e r f o r ma n c e a s s e s s me n t ；fin i t e e l e me n t a n aly s i s 钢筋混凝土刚架拱桥是在桁架拱桥 、 斜腿刚架 桥等基础上发展起来 的一种桥型。在 2 0世纪 8 0 年代 ， 因其外形轻巧 、 造价低廉而在我国得到大量采 用。目 前， 随着我国经济高速发展， 交通量增加， 荷 载等级提高 ， 部分钢筋 昆凝土刚架拱桥 已产生 了较 为严重的病害。本文 以某钢筋 混凝土 刚架拱 桥为 例 ， 介绍其荷载试验过程及性能评定 ， 为桥梁养护管 理和维修加固提供技术依据 。 1工程概 况 某钢筋混凝土刚架拱桥于 1 9 8 3年建成 ， 其桥孔 净跨径为 3 0 0 m。上部结构采用 预制 吊装 的 C 3 0 钢筋混凝土刚架拱式结构 ， 横向由5片拱片组成 ， 间 距 2 2 m， 总宽 l 0 4 m。桥面采用预制微弯板 ， 两岸 桥台采用砌石空心桥台， 毛石混凝土基础 ， 桥 台基础 置于砂卵石层上 。1 9 9 6年 ， 在旧桥基础上进行了扩 宽 ， 在上下游侧各加宽 了 7 0 m形成车行道及人行 道 ， 加宽部分采用 1 跨 3 0 0 m预应力混凝 土简支 T 梁， 上下游各 3片。加宽后的桥面组成形式为： 4 5 m( 人行道 ) +l 5 4 m( 车行道 ) + 4 5 m( 人行道 ) = 2 4 4 m。该桥的设计荷载等级为： 汽车一 2 0 ， 挂车 一 1 0 0 ， 人群荷载 3 5 k N m 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 l 一 1 6 作者简 介 ： 谭小林 ( 1 9 7 4 一 ) ， 男 ， 重庆市人 ， 硕士， 高工 对该桥的上下游 T梁部分及刚架拱部分分别进 行了荷载试验 ， 本文只介绍刚架拱部分 的荷载试验 及性能评定。 2 受力特点 刚架拱桥是一种具有刚架特点 的拱桥 ， 属于有 推力的高次超静定结构。上部结构 由刚架拱片、 横 向连接和桥面微弯板等组成 ， 刚架拱片是其 主要承 重结构。主、 次拱腿和跨中实腹段均为压弯构件， 其 中主、 次拱腿轴向力较大， 弯矩较小， 为小偏心受压 构件 ； 而跨 中实腹段弯矩较大 ， 轴 向力相对较小 ， 为 大偏心受压构件 J 。另外 ， 刚架拱桥 的受力兼具梁 和拱的特点 j ， 拱片弦杆端部简支在桥台上 ， 而主拱 腿和次拱腿则固结在桥台拱座上 ， 在一定的荷载作 用下 ， 拱片会出现一些对结构不利的附加 内力 ， 严重 时会造成桥梁结构 的破坏。 3 荷载试验 3 1 静载试验及结果分析 3 1 1 控制截面 根据某钢筋混凝土刚架拱桥的结构形式及受力 特点 ， 选取拱脚截面 ( J l截面) 、 拱腿相接处截面 ( J 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 4期 谭小林 ： 某钢筋混凝土刚架拱桥荷载试验及性能评定 9 3 上 单位 ： C l I 1 图 1 桥梁立面布置示意 1 5 4 0 单位 ： c n l 图 2 J 3截面应 变及 挠度测点布置示意 截 面) 和跨 中截 面 ( J 3截 面 ) 作为荷 载试验控 制截 面， 测试的主要 内容包括控 制截面应 变及挠度 。 测试截面位置见图 1 、 图 2 。 3 1 2有限元理论分析 采用有限元软件 Mi d a s C i v i l 2 0 1 1对该桥进 行 理论分析 ， 并建立三维空间梁格模 型。全桥共建立 节点 4 0 0个 ， 梁单 元 6 1 4个 ， 边界条 件数量 5 0个 。 主要边界条件 的处理如下 ： 主拱腿和次拱腿在底部 采用固结 ， 弦杆在端部采用简支 ； 主拱腿和次拱腿与 拱肋连接处采用弹性连接中的刚性连接相连。离散 后 的有限元模型见 图 3 。 3 1 3 加载试验 根据该钢筋混凝土刚架拱桥的受力特点及现场 实际情况 ， 全桥共加载 6个工况 ， 分别为 J 1 、 J 2 、 J 3截 面的正载和偏 载工况 。根据刚架拱桥有 限元模 型， 采用汽车一 2 0 ， 挂车一 1 0 0荷载进行理论计算 ， 分别 计算出 J 1 、 J 2 、 J 3截面的设计控制内力 ， 在满足荷 载 效率的基础上 ， 采用 2辆 2 5 t 三轴重车作为试验荷 载进行加载。由于篇幅所限 ， 本文仅列 出工况 3 ( J 3 截面偏载) 的测试数据 ， 其平面加载 布置示意见 图 4。 图 3刚架拱桥 有限元模型 l 跨 中 单位 ： c m 图 4 工况 3平面加载布置示意 为保证试验安全 ， 避免过载引起桥梁损坏 ， 试验 车辆采取 2级加载。图 4中， 工况 3按照车辆编号 、 + 两级逐步加载。 3 1 4 静载试验结果分析 3 1 4 1 应 力分析 桥梁静载试验过程 中， 工况 3逐级加载到满载 时 ， J 3截面应力实测值 、 计算值及校验系数见表 1 。 由表 1 数据可知 ， 试验截 面各测点应力实测值 均小于计算 值 ， 应力校 验 系数在 0 6 0 00 8 1 3之 间 ， 应力校验系数均在正常范围内。卸载完毕后 ， 各 测点应力最大相对残余为 9 7 ， 小于 2 0 ( 文献 3 中限值) ， 表明该桥工作性能良好， 处于弹性工 作状态_ 2 ， 具有 良好的弹性恢复能力 ， 结构强度满足 设计荷载要求 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 4 公路交通技术 2 0 1 4年 3 1 4 2 挠度分析 桥梁静载试验过程 中， 工况 3逐级加载到满载 时 ， J 3截面挠度实测值 、 计算值及校验系数见表 2 。 由表2 数据可知， 各测点挠度实测值均小于计 算值 ， 挠度校验系数 0 4 0 00 8 9 5之 间， 挠度校验 系数均在正常范围 内。卸载完毕后 ， 刚架拱桥各测 点最大相对残余变形为 3 8 ， 小于 2 0 ( 文献 4 中限值 ) ， 残余 变形较小 ， 表 明该 桥工作性能 良好 ， 处于弹性工作状态l l ， 具有较好的弹性恢复能力 ， 结 构刚度满足设计荷载要求 。 3 1 4 3 裂缝观测 试验过程中， 在各加载工况下 ， 对控制截面进行 观测 ， 未见 明显裂缝 ； 加载至满载及卸载过程 中也未 观测到裂缝 出现 ， 表 明混凝 土拉应力小于极 限拉应 力 。 3 2 动载试验及结果分析 3 2 1 测试 工况 动载试验是利用脉动 、 跑车等方法激起桥梁结 构的振动 ， 然后测定其 固有频率 、 振动加速度 、 动应 变和阻尼比等参数， 从而判断桥梁的整体刚度和抵 抗受迫振动和突发荷载的能力。本次动载试验共进 行了 3种车速 的跑车 、 1个部位 的刹 车和脉动等工 况的试验。采用 1辆 3轴重 车进行跑车试 验， 其均 为桥面无 障碍试 验 ， 跑 车速度 分别为 5 、 1 0 k m h 。 刹车试验采用 1辆 3轴重车以 2 0 k m h的速度居 中 匀速行驶 ， 在 J 3截 面处 紧急制动 ， 以考察桥梁 的动 力响应 。 3 2 2 试验内容 该桥动载试验主要包括如下 2方面内容。 1 )测量桥梁结构的动力特性 ， 具体内容为桥梁 的 自振频率和阻尼 比； 2 )测量移动车辆荷载作用下桥梁指定断 面上 的动应变和竖向加速度。 3 2 3试验结果与分析 对跑车自 振信号、 脉动信号进行频谱分析， 识别 结构的固有频率 。结构竖向动力特性检测结果汇总 见表 3 。 3 2 3 1自振频率 文献 4 规定， 通过实测 自振频率与理论计算 频率的比值来评价桥梁的刚度， 如比值大于 1 ， 说明 桥梁结构的实际刚度较大 ， 反之刚度则偏小 ， 可能存 在开裂和其它不正常现象 。1 0 k m h跑 车余振 J 3 截面频谱图见图5 ， 由频谱图可得出各阶振动频率。 实测的前 3阶振动频率见表 3 。 实测前 3阶竖向自振频率分别为 8 4 8 1 、 1 4 7 9 5 和 1 6 0 3 4 H z ， 理论计算前 3阶竖 向自振频率分别为 表 3 结构动力特性检测结果汇总 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m