某拱桥静载试验与分析

某拱桥静载试验与分析

文章以某钢筋混凝土景观拱桥为工程背景，对该拱桥进行静力荷载试验，并建立有限元计算模型，将试验结果与计算结果及规范值进行比较，评定了该拱桥的承载能力，对同类桥梁的承载力评估有一定的借鉴意义。

标签： 钢筋混凝土拱桥;静载试验;承载力检验与评定

1 工程概况

该景观桥为五跨钢筋混凝土连续拱桥，主跨计算跨径15.5m，次跨计算跨径9.4m，副跨计算跨径6.3m，桥宽7m。上部结构采用钢筋混凝土无铰板拱，主跨拱圈厚度为50cm，次跨拱圈厚度为40cm，副跨拱圈厚度为30cm，拱圈均采用圆弧线。下部结构采用钻孔灌注桩基础，桥墩三排桩，桥台两排桩，桩径均为120cm。该桥属新建成桥，由于下部结构施工资料不完整，故对该桥进行静力荷载试验，直接了解桥跨结构在试验荷载下的实际工作状态，判断其实际承载能力，评价其在设计荷载下的工作性能。

2 试验目的

（1）在该桥桥跨结构上选取测试截面，通过测定其在试验荷载作用下的控制截面应力和挠度，并与计算模型的理论计算值比较，检验其实际控制截面应力和挠度值是否处于弹性工作状态。

（2）通过现场静载试验及模型计算数据，对试验现象和试验数据进行综合分析，对桥跨结构的既有承载能力和受力状态做出总体评价。

3 试验过程

3.1控制截面的布置

根据交通运输部最新颁布的《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）6.5条的规定，静载试验控制截面选取最不利受力截面，根据对称桥型及其受力特点共选取四个控制截面，如图1所示，其中A截面为主拱圈跨中截面，B截面为主拱圈拱脚截面，C截面为次拱圈跨中截面，D截面为次拱圈拱脚截面。

图1 静载试验控制截面位置图

3.2应变及挠度测点的布置

静载试验主要用测试各控制截面在试验荷载作用下的应变和挠度，来判断结构的工作性能。

現场采用在主拱圈和次拱圈下搭设脚手架，应变测点采用电阻应变式传感器，粘贴于拱顶拱脚截面，每个控制断面沿横桥向布置5个测点，共20个测点;用安装百分表的方式进行挠度测量，每个控制断面沿横桥向布置4个测点，共16个测点。由于脚手架在人群荷载（工作人员于脚手架上读取百分表读数）作用下会产生不均匀沉降，为了避免对挠度数据采集的影响，采用数据采集平台和工作平台分离方式进行搭设脚手架。

3.3试验工况

根据交通运输部最新颁布的《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）中

8.1.2条的规定：静力荷载试验效率可按照下式计算，宜介于0.95-1.05之间。

式中：——试验荷载作用下，检测部位变位或力的计算值;

——设计标准活荷载作用下，检测部位变位或力的计算值;

d——设计取用的动力系数。

为了保证试验的有效性，根据各测试截面的内力与挠度影响线，按最不利位置加载，保证各测试截面试验荷载效率系数h达到规范要求。

本试验共分为四种工况，具体如表1所示。

表1 试验工况

试验工况 测试项目 测试内容

工况1 主拱圈跨中A截面最大正弯矩加载 各级荷载下A截面各控制测点应变

各级荷载下A截面各控制测点挠度

各级荷载下B截面各测点水平位移

试验现象观测

工况2 主拱圈拱脚B截面最大负弯矩加载 各级荷载下B截面各控制测点应变

试验现象观测

工况3 次拱圈跨中C截面最大正弯矩加载 各级荷载下C截面各控制测点应变

各级荷载下C截面各控制测点挠度

各级荷载下D截面各测点水平位移

试验现象观测

工况4 次拱圈拱脚D截面最大负弯矩加载 各级荷载下D截面各控制测点应变

试验现象观测

由于该桥为人行桥，桥面铺装采用台阶式，因此采用砂袋加载。

主拱圈分三级加载，第一级加载沙袋总重量的30%，即162.75kN（542.5袋30kg砂袋）;第二级加载沙袋总重量的60%，即325.5kN（1085袋30kg砂袋）;第三级加载砂袋总重量542.5kN（1808.3袋30kg砂袋）。

次拱圈分三级加载，第一级加载沙袋总重量的30%，即98.7kN（329袋30kg砂袋）;第二级加载沙袋总重量的60%，即197.4kN（658袋30kg砂袋）;第三级加载砂袋总重量329kN（1696.7袋30kg砂袋）。

试验砂袋荷载分别按照工况1、2均匀的加载在主拱圈跨度内，按照工况3、4均匀的加载在次拱圈跨度内，并对每个工况进行三级加载。为减少桥梁残余变形的影响，每级加

载后，待数据稳定后再进行采集。

4 试验结果及分析

在进行该拱桥的结构分析过程中，采用拱桥的常规有限元结构分析计算简化原则即忽略拱上建筑对主拱结构分析计算的影响。建模过程中考虑5跨拱桥的连拱效应，有限元参数取值均按照设计图纸提供的参数，上部结构采用钢筋混凝土无铰板拱，拱圈均采用圆弧线。所建分析模型如图2所示。

图2 有限元空间结构分析模型

各控制截面应变计算值、挠度计算值及相应点处的实测值以及校验系数如表2～表5所示，表中压应变为负值，拉应变为正值，校验系数为试验值/理论值。

表2 工况1、2各控制点应变值比较

测点位置 测点编号 试验值（me） 理论值（me） 校验系数 平均校验系数

主跨拱顶 A-1 31 45 0.68 0.73

A-2 32 45 0.71A-3 35 44 0.80

A-4 33 45 0.73

A-5 32 45 0.71

主跨拱脚 B-1 -29 -42 0.69 0.62

B-2 -28 -42 0.67

B-3 -26 -43 0.60

B-4 -23 -42 0.55

B-5 -24 -42 0.57

次跨拱顶 C-1 19 25 0.76 0.64

C-2 16 25 0.64

C-3 15 23 0.65

C-4 17 26 0.65

C-5 13 26 0.50

次跨拱脚 D-1 -23 -41 0.56 0.61

D-2 -25 -40 0.63

D-3 -24 -39 0.62

D-4 -26 -40 0.65

D-5 -25 -41 0.61

表3 工况3、4各控制点应变值比较

测点位置 测点编号 试验值（me）主跨拱顶 A-1 3 7 0.43 0.53

A-2 4 7 0.57

A-3 4 6 0.67

A-4 3 7 0.43

A-5 4 7 0.57

主跨拱脚 B-1 -8 -14 0.57 0.55

B-2 -7 -13 0.54

B-3 -8 -13 0.62

B-4 -7 -13 0.54

理论值（me）校验系数 平均校验系数

B-5 -7 -14 0.50

次跨拱顶 C-1 19 37 0.51 0.64

C-2 24 38 0.63

C-3 26 39 0.67

C-4 25 38 0.66

C-5 27 37 0.73

次跨拱脚 D-1 -14 -35 0.40 0.55

D-2 -19 -35 0.54

D-3 -22 -37 0.59

D-4 -23 -35 0.66

D-5 -20 -35 0.57

表4 工况1、2各控制点挠度值比较

测点位置 测点编号 试验值（mm） 理论值（mm）

校验系数 平均校验系数

主跨拱顶 A-1 1.84 3.35 0.55 0.59

A-2 1.82 3.25 0.56

A-3 2.01 3.25 0.63

A-4 2.04 3.35 0.61

次跨拱顶 C-1 1.54 2.37 0.65 0.69

C-2 1.73 2.40 0.72

C-3 1.59 2.45 0.65

C-4 1.70 2.39 0.71

表5 工况3、4各控制点挠度值比较

测点位置 测点编号 试验值（mm） 理论值（mm）主跨拱顶 A-1 0.76 1.47 0.52 0.57

A-2 0.78 1.50 0.52

A-3 0.89 1.50 0.59

校验系数 平均校验系数

A-4 0.97 1.47 0.66

次跨拱顶 C-1 1.11 1.40 0.79 0.75

C-2 1.03 1.45 0.71

C-3 1.12 1.45 0.77

C-4 1.03 1.40 0.74

通过实测挠度和理论挠度以及实测应变和理论应变的对比，说明该桥在试验荷载作用下的实际刚度高于设计值，该拱桥满足结构的正常使用极限状态要求。

参考文献：

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[2] JTG F80/1—2004.公路工程质量检验评定标准[S].

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[6]施嘉，杨永清，余华丽.圬工拱桥承载能力评估分析[J].西南公路，2011（4）

[7]黄步良.石拱橋结构静载试验研究[J].科学之友，2011