某鋼筋混凝土雙曲拱橋的靜載試驗與分析
摘要：對廣州某帶裂縫的鋼筋混凝土雙曲拱橋進行了靜載試驗，將試驗數據與MIDAS/CIVIL空間桿系板殼有限元模型的計算結果進行了對比分析，結果表明該橋工作性能及結構的變形恢復能力較差，該橋整體承載能力不能滿足設計要求。
關鍵詞：鋼筋混凝土雙曲拱橋；靜載試驗；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24.5m，拱跨計算跨徑為17.6m，橋面總寬5.2m，車行道寬4.8m，橋臺為重力式橋臺。結構總體布置簡圖如圖1所示。該橋于1971年12月建成，經過30多年的使用，橋梁病害較多，兩側中腹拱出現貫通的橫向裂縫、多片拱肋在拱頂處出現縱向裂縫、拱腳開裂、橋面鋪裝開裂等各種嚴重的病害，該橋橋梁檢查的總體技術評級為E級（危險）。由于該橋設計荷載不詳，通過交通流量調查，根據實際的交通情況擬定該橋的設計荷載為城-B級。為了確保橋梁安全正常使用，進行了靜載試驗，通過實測與理論計算數據的對比，判別該橋的承載能力及使用性能�！�
2試驗內容
靜載試驗的檢測內容包括測量控制截面在試驗荷載下的靜應變和靜撓度，評價其實際承載能力與使用性能。具體測試項目：①兩拱腳、拱頂、L/4、3/4共5個控制截面的靜撓度；②兩拱腳及拱頂共3個控制截面的靜應變；③觀測加載前后裂縫的開展情況。
3試驗荷載工況
考慮該拱橋病害比較嚴重，本次試驗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到最大的試驗荷載效率，并采用橫橋向居中對稱布載的方式進行加載。靜載試驗分兩階段進行，共包含10個試驗工況，各階段的試驗目的及試驗工況參見表1所示，各階段的滿載工況沙包加載的側、立面圖如圖2所示。
表1靜載試驗各階段的試驗目的及試驗工況
4測點設置
�。�1）撓度測點�？紤]到該橋橋面較窄且拱腳處常被水淹沒的實際情況，全橋共共布置5個撓度測點，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，采用精密水準儀測量。通過對這些撓度測點的測量，可獲得在試驗荷載作用下，沿橋跨縱向撓度的分布變化曲線。
�。�2）應變測點。應變量測截面檢測選擇在距拱腳0.50m(水平距離)和拱頂三個截面，分別為A、B、C截面，在每片拱肋底部各布設2個應變測點，即每個測試截面布設10個應變點，共計30個測試應變點。量測內容為各級荷載下的應變及卸載后殘余應變，應變測試截面及測點布置如圖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個空間梁單元和10270個殼單元，其中每片拱肋共劃分為34個空間梁單元，如圖4所示。應用動態(tài)規(guī)劃加載法計算出各片拱肋在設計荷載作用下的內力效應，求得邊拱肋拱腳最大軸壓力和負彎矩力分別為-49.00kN和-12.58E+04kN.m，中拱肋拱頂受正彎矩最大為7.16kN.m。在試驗荷載作用下，1#拱肋加載側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方法[1~3]的要求�！�
6試驗結果分析
（1）撓度。在兩階段滿載工況下實測撓度與理論計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實測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＃測點應有最大撓度值，實測結果卻表明拱頂3＃測點有最大撓度值，2＃測點的實測撓度值與理論值反號。其原因主要是由于拱頂測點處拱肋與拱波之間開裂導致了拱頂的承載能力明顯降低所致。②扣除殘余應變后，3#測點的的最大彈性撓度實測值均為-0.34mm，而對應的撓度理論值分別為-0.03mm、-0.16mm，校驗系數分別為11.72、2.1均不能滿足文獻〔2〕關于校驗系數范圍0.60～1.10的要求。
�。�2）應變。兩階段試驗荷載滿載工況下，各應變測點實測應變值與理論應變值的比較見表2所示。由表2可知實測應變值與理論應變值有較大的差異，不能滿足校驗系數的要求，殘余應變偏大。其原因主要是東南橋在拱頂范圍內所有拱肋與拱波連接部位、個別拱波出現了開裂，各拱肋的橫向聯系也較弱，導致拱肋的控制截面在受力性質及大小上產生了顯著的變化，存在比較明顯的內力重分布，拱頂受力增大但不均勻，而拱腳參與受力程度較低，可以認為該橋承載能力明顯不足。
表2實測應變值與理論值應變比較
�。�3）裂縫。在靜動載試驗前對該拱橋進行了詳細的裂縫檢查，檢查發(fā)現該拱橋主要的結構性裂縫有兩處：第一處在兩邊中腹拱拱頂處對稱地出現明顯的裂縫，最大裂縫寬度達4mm；第二處在拱頂4.4m的范圍內，各拱肋于拱波交界處均出現裂縫，共有8條縱橫向的裂縫，3＃、4＃拱肋間的拱波亦出現縱向和豎向的裂縫，最大裂縫寬度達0.8mm。在整個試驗過程中，原有裂縫也未見明顯變化，此外，未發(fā)現有肉眼可見的新裂縫產生，說明該橋曾經承受的荷載可能會超過本次試驗荷載。
7結論
橋梁靜載試驗的實測數據與理論計算數據的比較表明，帶裂縫的鋼筋混凝土雙曲拱橋由于自身結構性病害較多，導致了該橋承載能力不足，工作性能較差，大部分檢測指標不能滿足《試驗方法》的要求，以及橋梁設計荷載等級（城-B荷載）的要求，建議嚴格執(zhí)行現行的限載措施，并加強日常巡檢，在適當時機拆除重建�！ �
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