某鋼筋混凝土雙曲拱橋的靜載試驗(yàn)與分析
摘要：對(duì)廣州某帶裂縫的鋼筋混凝土雙曲拱橋進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與MIDAS/CIVIL空間桿系板殼有限元模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明該橋工作性能及結(jié)構(gòu)的變形恢復(fù)能力較差，該橋整體承載能力不能滿足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土雙曲拱橋；靜載試驗(yàn)；有限元分析
1工程背景
廣州市城區(qū)的某鋼筋混凝土雙曲拱橋是一座跨河涌的城市橋梁，該橋全長(zhǎng)24.5m，拱跨計(jì)算跨徑為17.6m，橋面總寬5.2m，車行道寬4.8m，橋臺(tái)為重力式橋臺(tái)。結(jié)構(gòu)總體布置簡(jiǎn)圖如圖1所示。該橋于1971年12月建成，經(jīng)過30多年的使用，橋梁病害較多，兩側(cè)中腹拱出現(xiàn)貫通的橫向裂縫、多片拱肋在拱頂處出現(xiàn)縱向裂縫、拱腳開裂、橋面鋪裝開裂等各種嚴(yán)重的病害，該橋橋梁檢查的總體技術(shù)評(píng)級(jí)為E級(jí)（危險(xiǎn)）。由于該橋設(shè)計(jì)荷載不詳，通過交通流量調(diào)查，根據(jù)實(shí)際的交通情況擬定該橋的設(shè)計(jì)荷載為城-B級(jí)。為了確保橋梁安全正常使用，進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，通過實(shí)測(cè)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比，判別該橋的承載能力及使用性能�！�
2試驗(yàn)內(nèi)容
靜載試驗(yàn)的檢測(cè)內(nèi)容包括測(cè)量控制截面在試驗(yàn)荷載下的靜應(yīng)變和靜撓度，評(píng)價(jià)其實(shí)際承載能力與使用性能。具體測(cè)試項(xiàng)目：①兩拱腳、拱頂、L/4、3/4共5個(gè)控制截面的靜撓度；②兩拱腳及拱頂共3個(gè)控制截面的靜應(yīng)變；③觀測(cè)加載前后裂縫的開展情況。
3試驗(yàn)荷載工況
考慮該拱橋病害比較嚴(yán)重，本次試驗(yàn)采用沙包加載而不是用汽車加載，且盡可能用最少的加載沙包達(dá)到最大的試驗(yàn)荷載效率，并采用橫橋向居中對(duì)稱布載的方式進(jìn)行加載。靜載試驗(yàn)分兩階段進(jìn)行，共包含10個(gè)試驗(yàn)工況，各階段的試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)工況參見表1所示，各階段的滿載工況沙包加載的側(cè)、立面圖如圖2所示。
表1靜載試驗(yàn)各階段的試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)工況
4測(cè)點(diǎn)設(shè)置
�。�1）撓度測(cè)點(diǎn)�？紤]到該橋橋面較窄且拱腳處常被水淹沒的實(shí)際情況，全橋共共布置5個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，分別布置在1＃拱肋的拱腳0.65m(水平距離)、L/4、跨中及3/4共5個(gè)截面位置處，且均布置在拱肋下緣，如圖3（1）所示，采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量。通過對(duì)這些撓度測(cè)點(diǎn)的測(cè)量，可獲得在試驗(yàn)荷載作用下，沿橋跨縱向撓度的分布變化曲線。
�。�2）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。應(yīng)變量測(cè)截面檢測(cè)選擇在距拱腳0.50m(水平距離)和拱頂三個(gè)截面，分別為A、B、C截面，在每片拱肋底部各布設(shè)2個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，即每個(gè)測(cè)試截面布設(shè)10個(gè)應(yīng)變點(diǎn)，共計(jì)30個(gè)測(cè)試應(yīng)變點(diǎn)。量測(cè)內(nèi)容為各級(jí)荷載下的應(yīng)變及卸載后殘余應(yīng)變，應(yīng)變測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置如圖3（2）所示�！�
5仿真分析模型的建立
利用MIDAS/CIVIL有限元分析軟件建立了該橋空間桿系板殼組合有限元模型，模型包含4974個(gè)空間梁?jiǎn)卧?0270個(gè)殼單元，其中每片拱肋共劃分為34個(gè)空間梁?jiǎn)卧�，如圖4所示。應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃加載法計(jì)算出各片拱肋在設(shè)計(jì)荷載作用下的內(nèi)力效應(yīng)，求得邊拱肋拱腳最大軸壓力和負(fù)彎矩力分別為-49.00kN和-12.58E+04kN.m，中拱肋拱頂受正彎矩最大為7.16kN.m。在試驗(yàn)荷載作用下，1#拱肋加載側(cè)拱腳軸力和彎矩的加載效率分別為91%和94%，3#拱肋拱拱頂彎矩加載效率為83.6%，均能滿足橋梁靜載試驗(yàn)方法[1~3]的要求�！�
6試驗(yàn)結(jié)果分析
�。�1）撓度。在兩階段滿載工況下實(shí)測(cè)撓度與理論計(jì)算撓度分布曲線的比較參見曲線如圖6所示。由圖6可知：①實(shí)測(cè)撓度分布曲線與理論值分布曲線有較大差異，理論分析表明2＃測(cè)點(diǎn)應(yīng)有最大撓度值，實(shí)測(cè)結(jié)果卻表明拱頂3＃測(cè)點(diǎn)有最大撓度值，2＃測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)撓度值與理論值反號(hào)。其原因主要是由于拱頂測(cè)點(diǎn)處拱肋與拱波之間開裂導(dǎo)致了拱頂?shù)某休d能力明顯降低所致。②扣除殘余應(yīng)變后，3#測(cè)點(diǎn)的的最大彈性撓度實(shí)測(cè)值均為-0.34mm，而對(duì)應(yīng)的撓度理論值分別為-0.03mm、-0.16mm，校驗(yàn)系數(shù)分別為11.72、2.1均不能滿足文獻(xiàn)〔2〕關(guān)于校驗(yàn)系數(shù)范圍0.60～1.10的要求。
�。�2）應(yīng)變。兩階段試驗(yàn)荷載滿載工況下，各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值與理論應(yīng)變值的比較見表2所示。由表2可知實(shí)測(cè)應(yīng)變值與理論應(yīng)變值有較大的差異，不能滿足校驗(yàn)系數(shù)的要求，殘余應(yīng)變偏大。其原因主要是東南橋在拱頂范圍內(nèi)所有拱肋與拱波連接部位、個(gè)別拱波出現(xiàn)了開裂，各拱肋的橫向聯(lián)系也較弱，導(dǎo)致拱肋的控制截面在受力性質(zhì)及大小上產(chǎn)生了顯著的變化，存在比較明顯的內(nèi)力重分布，拱頂受力增大但不均勻，而拱腳參與受力程度較低，可以認(rèn)為該橋承載能力明顯不足。
表2實(shí)測(cè)應(yīng)變值與理論值應(yīng)變比較
�。�3）裂縫。在靜動(dòng)載試驗(yàn)前對(duì)該拱橋進(jìn)行了詳細(xì)的裂縫檢查，檢查發(fā)現(xiàn)該拱橋主要的結(jié)構(gòu)性裂縫有兩處：第一處在兩邊中腹拱拱頂處對(duì)稱地出現(xiàn)明顯的裂縫，最大裂縫寬度達(dá)4mm；第二處在拱頂4.4m的范圍內(nèi)，各拱肋于拱波交界處均出現(xiàn)裂縫，共有8條縱橫向的裂縫，3＃、4＃拱肋間的拱波亦出現(xiàn)縱向和豎向的裂縫，最大裂縫寬度達(dá)0.8mm。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，原有裂縫也未見明顯變化，此外，未發(fā)現(xiàn)有肉眼可見的新裂縫產(chǎn)生，說明該橋曾經(jīng)承受的荷載可能會(huì)超過本次試驗(yàn)荷載。
7結(jié)論
橋梁靜載試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)的比較表明，帶裂縫的鋼筋混凝土雙曲拱橋由于自身結(jié)構(gòu)性病害較多，導(dǎo)致了該橋承載能力不足，工作性能較差，大部分檢測(cè)指標(biāo)不能滿足《試驗(yàn)方法》的要求，以及橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)（城-B荷載）的要求，建議嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行的限載措施，并加強(qiáng)日常巡檢，在適當(dāng)時(shí)機(jī)拆除重建。
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