某石拱桥荷载试验分析
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摘要:本文基于一石砌肋板拱桥的现场荷载试验，详细介绍了石拱桥静载试验和动载试验的过程和试验方法，对试验结果进行了相应分析并针对本桥承载能力进行了的评估。
中图分类号：C33文献标识码：A 文章编号：
随着国民经济的发展，作为命脉的交通运输凸显越来越重要的作用，而交通运输网的安全状况也是一个不能忽视的难题。石拱桥在我国桥梁建筑史上有举足轻重的作用，直至今天仍有一部分处于服役状态。石拱桥坚固耐用、造型美观，但是在后期运营中常常会因拱肋的变形、腹拱圈的开裂等原因对拱桥的受力性能和承载能力产生影响。本文基于一在役石砌肋板拱桥的现场荷载试验，详细介绍了本次荷载试验的过程和方法，并对试验结果进行了相应的分析。
1 工程概况
观音大桥为四跨石砌肋板拱桥，主桥跨径组合为54.5+2×55.5+53.5=219m，桥面宽：净12+2×3+2×1.5 m。主拱轴线采用悬索线，净矢跨比1/8。桥台为重力式空心桥台，桥墩基础为无承台大直径人工挖孔桩。原设计荷载等级为：汽-20，挂-100。
图1观音大桥立面图（单位：cm）
在2007年例行检查中发现本桥出现如下问题：主拱圈局部砂浆空洞；腹拱圈顶部普遍存在横向裂缝和渗水现象，拱上立墙存在竖向贯通裂缝；桥面局部破损、伸缩缝杂物堵塞等现象。于是在2008-2009年针对本桥主墩、主拱圈、腹拱圈和桥面等部位进行了相应的维修加固处理。本次检测的目的是依据相关规范[1-2]通过静载和动载试验检查加固前后桥梁工作性能的提升情况，评估本次加固工作的效果。
2 静载试验
桥梁静载试验主要是通过在桥梁结构上施加与设计荷载或使用荷载基本相当的外载，利用专业仪器测试桥梁结构控制截面在试验静荷载作用下的裂缝、变形和应力，并与有限元仿真软件计算的理论值进行对比分析，从而评定桥梁结构的承载能力和实际工作状态。
2.1 试验加载原则
试验荷载的大小，通过荷载效率系数控制。荷载效率系数计算公式为：
其中：为试验荷载作用下检测部位变位或力的计算值；为设计标准活载作用下变位或力的计算值；为设计取用的动力系数。
参考文献[3]规定，的取值范围为0.8-1.05。
2.2 工况设置
本次荷载试验，选择主结构外观质量较差以及腹拱圈开裂较严重的第4跨进行静载试验，通过4台3轴标准重车实施加载。通过专业桥梁设计软件Midas-Civil建立三维有限元模型，分析各工况控制截面内力最不利状态时车载的布置位置、轴重以及各测点的变形和内力理论值。本次静载试验工况的设置如下表所示。
表1各级工况及具体效应
2.3 试验结果
试验测试内容包括加载和卸载过程桥面的变形和主拱圈拱肋的应力，主要控制截面为跨中（L/2）、1/4跨、3/4跨和两侧拱脚5个截面。
桥面变形通过电子水准仪进行量测，拱肋的应力通过在测试截面表面安置的电阻式应变片结合东华DH3815应变测试系统进行测试。
表2各级工况控制截面挠度值
由上表各级工况控制截面的挠度值结果可以看到各工况的控制截面挠度值均在理论允许范围之内，并有一定的强度储备；相对残余值均在20%范围之内，桥梁处于弹性工作状态。本桥经过加固修复之后，主桥的工作性能达到原设计水平。
各测点应变结果如下表所示，表中“－”代表受压，“+”代表受拉。
表3各级工况下控制截面的应变值（单位：με）
表4各级荷载作用下控制截面的应变值（单位：με）
从表3实测应变值可以看出，主拱圈下缘纵向应变值与拱圈变形情况吻合；从表4各级荷载用下，实测应变值没有发生突变等情况，说明在试验荷载作用下，测试截面未发生开裂，主拱肋截面强度基本满足要求。
3 动载试验
桥梁结构的动力荷载试验主要考察桥梁结构的自振特性和车辆动力荷载与桥梁结构的联合振动特性。桥梁结构在移动荷载作用下的动力反应不仅反映桥梁与车辆本身的动力特性，也与桥面的平整度、行车速度有关，因此，其测试结果是判断桥梁结构承载特性和运营状况的重要指标。用汽车变速行驶以及汽车制动，获得桥梁的各项动力特性参数（如振动频率等）、动荷载本身动力特性、结构在动荷载作用下的强迫振动的响应（如动应力、冲击系数等），从而判断桥梁结构在动力荷载下受冲击和振动影响程度，并间接反应桥梁的整体工作性能。
3.1 动载试验内容
动态应变增量测量方法是利用加载车的1号车，分别以不同的速度进行跑车、刹车及原地跳车试验，测试桥梁的动应变；桥梁固有频率采用脉动法测试。试验采用DH5935/DH5936动态采集系统采集试验跨动态响应，试验跨动应变测点布置如下图所示。
图2试验跨动应变测点布置
动载试验包括以下三个工况：
（1）跑车试验：用加载车的1号车，分别以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h的速度在行车道上行驶，主要用于测定在车辆荷载以不同速度作用下桥跨结构的动力反应。
（2）刹车试验：用加载车的1号车，分别以10km/h、20km/h的速度在行车道上行至试验跨测试截面时刹车，主要用于测定车辆荷载以不同速度紧急刹车时桥跨结构的动力反应。
（3）跨中跳车试验：在跨中设置2个高度为10cm的钢垫板，使重车后轴轮胎压在垫板端部，然后突然落下，测试竖向激励引起桥梁振动的强迫效应，反映了结构抵抗瞬间强迫振动的性能。
3.2 试验结果
汽车以不同的车速行驶在测试桥跨以及刹车、原地跳车时，测试跨跨中截面测点产生的动态挠度及冲击系数，见表5。从表5中可知，以不同的速度匀速行驶时，动态挠度冲击系数为0.132，理论计算值为0.136，满足要求。
表5测试跨跨中截面在各工况下的动挠度测试结果
利用脉动试验测量桥梁一阶竖向振动固有频率见表6。
表6观音大桥固有频率测试结果
从表6可知，桥梁一阶竖向振动固有频率实测值大于理论值，说明桥梁实际刚度大于理论计算时的取值，桥梁刚度满足设计要求。
4 结论与建议
静载试验结果表明，在等效设计荷载作用下，测试截面仍基本处于弹性工作状态，加固后桥梁满足原设计水平。
动载试验结果显示测试跨主要受力结构各项动力性能指标正常；测试跨实测一阶频率实测值大于理论值，说明实际结构刚度大于理论计算采用值，结构刚度仍满足要求。
因石拱桥主拱圈为坞工结构，在试验及运营过程中要注意防止超载对结构产生的不可修复性损伤。
参考文献
[1] 《城市桥梁养护技术规范》(CJJ99-2003)；
[2] 《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)；
[3] 交通部规划研究院. 公路旧桥承载能力鉴定方法[M]. 北京：人们交通出版社，1998
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[8] 马迅，王长青．谈桥梁荷载试验[J]．山西建筑，2008，34(8)：329-33
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