空腹式拱桥荷载试验及分析.pdf

.80.F3501082023年4月江西建材质量控制与检测空腹式拱桥荷载试验及分析林一涵福建省建筑科学研究院有限责任公司福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州350108摘要：文中以某座空腹拱桥为例，为了解该桥运营期间结构现状受力状况，借助有限元模型计算结合静动载试验等方法，对受力性能进行了分析。结果表明，结合桥梁外观检查及静动载试验结果，在设计荷载作用下，桥梁现状上部结构满足结构性能要求。该试验方法与数据分析评价对同类拱桥的试验具有一定借鉴意义。关键词：钢筋混凝土拱桥；承载力；荷载试验；有限元模型中图分类号：TU528文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 4-0 0 8 0-0 4Load Test and Analysis of Spandrel Arch BridgeLin Yihanujian Academy of Building Research Co.Ltd.,Fujian Provincial Key Laboralory of Green Building Technology,Fuzhou,FujianAbstract:Taking an open spandrel arch bridge as an example,in order to understand the current structural stress status during the operationof the bridge,the force performance was analyzed by finite element model calculation combined with static and dynamic load test,and theresults showed that combined with the results of bridge appearance inspection and static and dynamic load test,the current superstructure ofthe bridge meets the structural performance requirements under the design load.The test method and data analysis evaluation have certainreference significance for the test of similar arch bridges.Key words:Reinforced concrete arch bridge;Bridge bearing capacity;Bridge load test;Finite element model0引言拱桥是一种常用的桥梁形式，与梁桥相比，其主结构为曲线，在竖向荷载作用下，拱脚处会产生水平反力，拱结构以受压力为主 1。荷载试验最终的目的就是了解桥梁结构具体的受力情况，确保桥梁安全运营，保障人身和财产安全 2 。桥梁的承载力一般通过测试桥跨结构的应力和位移来反映，桥梁的承载力指标是指在最不利件下结构的综合反应，桥跨结构最不利的条件是荷载试验的关键部分 3。本文以某空腹式拱桥为例，对该桥进行荷载试验和分析评价。1工程概况某空腹式拱桥全长40.5m，跨越河道宽度为40 m，桥梁位于直线段，桥梁总宽为10.6 m，即0.4m（栏杆）+1.4m（人行道）+7.0m（车行道）+1.4m（人行道）+0.4m（栏杆），桥面铺装采用8 cm厚沥青混凝土+防水层+10 cm厚C30防水混凝土。该桥上部结构采用单孔跨径30.0 m的板拱，主拱圈半径32.2 5m，矢跨比1/8，厚0.7 5m。拱上共设置6 个腹拱，腹拱横向贯通，两侧钢筋混凝土立墙宽6 0 cm，腹拱圈净跨1.5m，矢高0.75m，矢跨比为1/2，厚15cm。下部结构采用U型桥台，扩大基础。主拱圈、腹拱、拱座均采用C35钢筋混凝土，扩大基础采用C25片石混凝土。桥梁设计荷载为城-B级，人群荷载4.5kPa。桥梁结构布置见图1、图2。作者简介：林一涵（19 9 5-），男，福建上杭人，本科，助理工程师，桥隧检测师，主要研究方向为桥梁检测鉴定。11035.33801500150035.31103803080.2台1台图1桥梁立面构造图/cm4040140700140填料主拱图9L拱座50501000基础砂垫层图2桥梁横断面构造图/cm2检测目的（1）通过桥梁外观检查，查明现状桥梁缺损的部位、类型、性质、范围、数量和程度，为桥梁后期养护提供基础数据。（2）桥梁静载试验是测试桥梁结构在静荷载（相当于设计.812023年4月江西建材质量控制与检测荷载）作用下的结构响应（如应变、变形等）是否满足设计预期，相关性能指标（如校验系数、相对残余等）是否满足试验规范要求 4（3）经过对桥梁结构的动力荷载测试，可以深人了解其自振特征及其动态反应，从而准确地评估其实际的动力学性能。（4）通过对试验数据和试验现象的综合分析，对现状结构工作性能做出评价。3桥梁静力荷载试验3.1试验准备阶段工作试验前，使用钢卷尺、皮尺、裂缝宽度测宽仪等仪器对桥梁结构尺寸、构件截面尺寸进行结构物的裂缝、缺损等进行现场调查。检查结果表明，该桥结构尺寸与设计图纸基本吻合，桥面系、上部结构、下部结构未见明显异常。3.2有限元计算有限元分析是一种用于研究结构构件特性的技术，它通过将连续的结构构件划分为有限个元素来建立模型，更好地反映结构受力的特性。MIDAS/Civil是一个全集成有限元分析软件，采用该软件进行计算分析。该桥采用单梁模型，模型共计建立188个节点与2 33个梁单元，将二期铺装及护栏荷载转换成为质量布置于整个梁上。对拱脚位置进行约束时采用一般支承，释放填料与拱圈、桥面板间的约束，对桥面挠度测点采用刚臂与桥面板梁单元链接。有限元模型见图3。图3桥梁单梁模型图4设计荷载作用下的弯矩包络图3.3测试工况及荷载效率依据相关规范，本次拱桥静载试验的主要工况和测试内容为：（1）拱顶最大正弯矩工况，测试内容为拱顶截面的应变和位移；（2)1/4截面最大正弯矩工况，测试内容为1/4截面的应变和位移；（3）拱脚最大负弯矩工况，测试内容拱脚截面的应变。根据限元分析确定试验的控制断面，设计荷载作用下的弯矩包络图见图4，测试截面见图5。根据试验控制荷载（城-B级，人群4.5kPa），对桥梁结构在最不利荷载布置下产生的内力进行计算，按照内力等效的原则布置试验荷载工况，使荷载试验效率满足规范要求。根据桥梁现场条件实际情况，本次荷载试验采用了2 部3轴重550 kN的重车（经现场过磅前轴总重10 0 kN，后轴总重450 kN）作为试验荷载进行载荷试验。依据相关规范，对于交（竣）工验收荷载试验，荷载效率宜介于0.8 5 1.0 5。本次静载试验荷载效率控制在0.9 7 1.0 2，静载试验效率满足相关规范要求，各测试工况试验控制断面详见图5，测试内容、荷载试验效率具体情况详见表1。38011035.3150750150035.3110380AB台1台图5控制断面示意图/cm表1各工况加载内容及荷载效率一览表工况编号试验工况测试内容测试截面设计内力值/（kNm）试验内力值/（kNm）荷载效率工况一拱顶最大正弯矩位移、应变A-A1110.81077.40.97工况二L/4截面最大正弯矩位移、应变B-B1153.51150.41.00工况三拱脚最大负弯矩应变C-C-1314.1-1333.91.0215001500750750150040011001500十十人行道人行道人行道1#车行道车行道00L车行道22#2人行道人行道人行道台跨中1台台跨中1台0 台跨中1台（a）工况一加载示意图（b）工况二加载示意图（c）工况三加载示意图图6各工况加载示意图/cm3.4测点布置结合拱桥现状及结构的受力特点，进行现场的测点布置，测点均布置于拱圈底部并与拱圈贴合良好。位移测试采用数显式百分表（0 30 mm）观测，位移测试截面为A截面和B截面；应变测试采用振弦式应变计以及振弦式读数仪，应变测试截面为A、B和C截面。各截面测点从左向右依次编为1#5测点，测点布置详见图7。.82下转第8 5页2023年4月江西建材质量控制与检测404014070014023#4#5#2024024024024020百分表/应变计图7百分表、应变计布置示意图/cm3.5测试过程试验过程中，各工况宜分为三级进行加载，在各工况加载过程中应对测试点的应变、位移读值进行相应的观测及记录，以理论计算值作为测试值的控制。试验加载某一级阶段内结构无异常、测试值在控制值内方可进行下一级加载。该拱桥为尚未投人运营的新桥，工况一的分级加载稳定时间不应小于15min，其余分级加载的稳定时间为5min。同一级荷载内，结构最大位移测点在最后5min内的位移增量小于第一个5min位移增量的15%，或小于测量仪器的最小分辨值时，认为结构位移达到相对稳定。3.6静载试验测试结果经过试验，桥梁的各个部件保持正常的运行状态，位移测点校验系数在0.2 8 0.9 2 之间，相对残余位移在0 4.7 6%，测点的应变校验系数介于0.0 6 0.9 6，相对残余应变介于0 16.6 7%。各工况位移测试结果详见表2，应变测试结果详见表3。表2各工况位移检测结果汇总表满载弹性测试理论值相对残余工况位移实测校验系数截面/mm位移1%值/mm工况一0.661.19A-A1.300.510.9201.94工况二0.400.62B-B1.420.280.442.444.76表3各工况应变检测结果汇总表满载弹性测试理论值相对残余工况应变实测校验系数截面应变/%值1ue工况一427A-A280.140.96016.67工况二319B-B360.080.53012.45工况三-8-3C-C-490.060.1604.354桥梁动力荷载试验为了解决日常运营中出现的各种桥梁动态问题，需要深人研究桥梁结构的动力特性，并且要考虑车辆荷载所带来的振动和其他动力响应。桥梁结构动载试验的主要内容可分为两部分，即模态参数（频率、阻尼和振型）的测定和动力响应参数（动挠度、动应变、振动加速度、冲击系数等）的测定 5。4.1桥梁自振特性4.1.1试验准备试验内容与方法根据桥梁结构特点和现场实际情况，自振特性试验采用环境激振法 6 ，用以识别桥梁结构的动力特性。通过在桥面放置传感器采集随机振动振动信号。依据相应规范，在桥面4等分点各布置1个竖向拾振传感器，试验采样频率为2 0 0 Hz，采样时间为30 min，竖向拾振传感器布置详见图8。11035.338075075075075035.3110380拾振传感器台台图8拾振传感器布置图/cm4.1.2试验过程及结果正式采集前，应注意桥区附近是否有其余的干扰力存在，例如：桥区附近桩基捶打造成振动、附近施工区域勘测钻探等。试验过程中，应记录各采样通道对应的拾振传感器测点，实时观测位移时程曲线是否存在异常，若存在异常，应停止采集，分析原因后再做调整。测试结果表明，该桥实际测试一阶自振频率为6.0 5Hz，大于有限元软件Midas/Civil计算分析的基频5.68Hz，表明该拱桥桥面与拱桥结合良好，现状整体刚度较大。竖向1阶理论振型图见图9。图9竖向1阶理论振型图4.2桥梁动力响应试验梁动力响应试验可采用无障碍行车试验。无障碍行车试验可采用载重汽车，以不同车速匀速通过桥跨，通过布设动应变片、位移传感器和动态信号测试分析系统等，测定桥跨结构控制断面测点的动力响应时间历程，经过分析得到桥梁结构冲击系数。4.3试验过程及结果选取1辆重车记录该车轴重、轴距等信息按照指定速度通过桥面位置。试验过程中应测试车辆行驶速度，指挥车辆刹车位置并及时记录各工况采样的时间。试验结果表明，在10 km/h、20km/h、30 k m/h 三种跑车工况作用下的桥梁实测冲击系数为0.0 5 0.11，在10 km/h、2 0 k m/h、30 k m/h 三种刹车工况作用下，桥梁实测冲击系数为0.0 6 0.13，由实测竖向一阶自振频率计算得到的理论冲击系数为0.2 9。5结语（1）静载试验。在各工况满载作用下，各控制断面在试验荷载作用下应变校验系数和位移校验系数均小于1.0，相对残余应变和相对残余位移均不大于规范限值（2 0%），表明桥梁的弹性工作状态良好。该钢筋混凝土拱桥截面在试验荷载作用下，实测应变离散较大，桥梁的横向作用不太明显。试验过程中，桥梁各个构件都处于正常工作状态，经过试验，该桥的上部结构性能达到了设计要求。（2）动载试验。该桥实际测试一阶自振频率为6.0 5Hz，大于有限元软件Midas/Civil计算分析的基频5.6 8 Hz，表明该拱桥现状刚度大于该结构的理论刚度。在不大于该桥梁限制速度的跑车工况试验下，桥梁实测冲击系数为0.0 5 0.13，小于实测竖向一阶自振频率按理论公式计算得到的冲击系数0.2 9，表明85行业资讯上接第8 2 页）上接第7 9页）2023年4 月质量控制与检测江西建材测，避免氯离子含量超标，保证建筑材料质量，为后续建筑工程施工的稳定性奠定坚实的基础。参考文献1万桂芬.探讨建筑用砂氯离子含量快速测定方法【J.广东建材，2015,31（4):2 8-3 1.2陈丹丹，罗冰.建设用砂氯离子检测研究【J】.化工设计通讯，2022,48（11):7 9-8 1,10 8.2 徐徐文杰，胡瑞林，岳中琦，等.基于数字图像分析及大型直剪试验的土石混合体块石含量与抗剪强度关系研究.岩石力学与工程学报，2 0 0 8（5）：996-10 0 7.3刘新荣，涂义亮，王鹏，等.基于大型直剪试验的土石混合体颗粒破碎特征研究J.岩土工程学报，2 0 17，3 9（8）：14 2 5-14 3 4.4胡峰，李志清，胡瑞林，等.基于大型直剪试验的土石混合体剪切带变形特征试验研究 J.岩石力学与工程学报，2 0 18，3 7（3）：766-778.车辆荷载对桥梁的冲击作用较小。参考文献1陈宝春，陈友杰.桥梁工程（第二版）M.北京：人民交通出版社，2013.2王腾飞，刘艳.桥梁荷载试验检测相关问题分析J城市建设理论研究（电子版），2 0 14（3 6）：3 3-3 4.国内首个“海上风电+海洋牧场+海水制氢”融合项目首吊成功4月2 9日，明阳阳江青洲四海上风电场项目（以下简称“青洲四项目”）首台风机正式吊装完成，此举标志着国内近海深水区离岸最远项目正式进人风机安装阶段。作为国内首个“海上风电+海洋牧场+海水制氢”融合项目，青洲四项目规划装机容量50 0 MW，拟布置包括11MW、【3 周清长.建设用砂氯离子含量测试影响因素研究J.混凝土世界，2 0 16，8 4（6)：6 0-6 2.4封余贤，潘立，韦日强，等.建筑用砂氯离子含量检测及过程处理讨论【J】.建筑技术开发，2 0 2 1，4 8（6）：91-92.5姜丽丽.建筑用砂氯离子含量的检测方法J】.石材，2 0 2 2（11）：101-103.6 栾超，方光旭.离子色谱法测定建设用砂中氯化物含量【J.绿色环保建材，2 0 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