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跨度20米的普通混凝土拱桥荷载试验。
穆罕默德-S.Marefat a,*, Esmaeel Ghahremani-Gargary a, Shervan Ataei b
摘 要
为了评估普通混凝土拱桥的剩余强度，进行了动态和静态载荷测试。在静态测试中，施加了高达7300 kN的重量，在动态测试中，使用了1200 kN的机车。尽管出现了巨大的裂缝，该桥仍表现出相对坚硬和强烈的响应，并且在远高于使用荷载的荷载水平下屈服。可以将其性能与多层连续结构而不是拱形相比。研究表明，尽管深而宽的裂缝，饱受碳化作用，而且已有60年以上的历史，但该桥仍具有相对较大的强度储备和适当的动力性能。
copy;2004爱思唯尔有限公司。版权所有。
关键词：铁路桥梁普通混凝土拱门；砌体桥负载测试
- 介绍
近年来，许多研究人员已经对砌体拱桥的剩余承载能力进行了评估。大多数砌体桥是几十年前建造的，专为随时间变化的活动荷载和使用条件而设计。由于疲劳和蠕变等随时间变化的影响，裂缝和腐蚀等环境缺陷，填充材料和铺装层等非结构元素的参与，路面的变化，这些结构的残余强度无法可靠地预测。限制条件，以及竣工和设计规格之间的差异。为了克服这些限制，现场测试提供了可靠的解决方案。
根据建筑材料的不同，砌体拱桥可分为三类，即砖砌拱，石拱和普通混凝土拱。关于砖砌和石拱的现场和实验室测试已被频繁报道（例如[1-10]）。普通混凝土的比例实验已经在一些文献中发表[11,12]，并在本文中进行了讨论。
*通讯作者电话： 9821-611-2292；传真： 9821-646-1024。
电子邮件地址：ir mmarefat@ut空调。（M.S.MaReFAT）。
0950-0618 / $-参见前件copy;2004 Elsevier Ltd.版权所有。DOI:101016/J.CONBuyDig.04.04.025
在本文中，描述了普通混凝土拱桥的荷载测试。这座桥已有60多年的历史，并且遭受严重的裂缝和相对较深的碳化作用。在伊朗的铁路网络中，这种类型的桥梁数量超过数千。人们担心在轴载荷和交通量不断增加的情况下这些桥梁的安全性和可维修性。决定对最近已退役的Km-23桥进行载荷测试
- 桥的描述
该桥位于德黑兰-库姆铁路的23公里处，由两个相同的20米拱门组成。该结构在所有跨度的顶部都遭受广泛的开裂和环境破坏。拱腹的裂缝宽度在10到30毫米之间变化，并延伸到整个截面。在所有跨度的弹起处也有可见的裂纹，宽达3毫米，长100-600毫米。尚未使用钢筋，所有结构部件包括拱门，
图。1。德黑兰库姆铁路Km-23桥的几何特征。
表格1
拱桥的特点
|
桥 |
跨度数 |
跨度（m） |
拱形 |
表冠厚度（mm） |
弓端厚度（mm） |
拱宽（m） |
桥高（m） |
托板壁厚（mm） |
|
23公里 |
2 |
20 |
圆弧段 |
1000 |
1900 |
3.90 |
12.0 |
1000 |
表2
基于圆柱芯试验的混凝土性能
|
项目 |
抗压强度（MPa） |
弹性模量（GPa） |
碳化深度（mm） |
密度（kg / m3） |
|
混凝土填充 |
17.6 |
20.2 |
4.2 |
2300 |
|
拱 |
17.3 |
17.0 |
38.0 |
2280 |
|
码头 |
27.9 |
37.3 |
54.6 |
2350 |
墙托墙，桥台，翼墙，墩台和地基均为大体积混凝土结构。薄混凝土已被用作填充材料，以使拱门上方的表面平整。铁路已铺设在道a层上，然后是较厚的压实土层。桥Km-23的轮廓如图1所示。表1列出了桥梁的几何特性。
为了确定混凝土的质量，从不同部位取了圆柱芯，结果列于表2。可以看出，各种层的重要性能，例如抗压强度，密度和弹性模量都不同。特别是，填充物的抗压强度为17 MPa，似乎足够高，可以视为结构混凝土。还测量了暴露在空气中的桥墩的碳化程度，最大深度超过50毫米。
- 仪表和加载程序
Km-23桥由两个跨度组成，从中仅测试了北跨度。总共有七个
位移传感器被放置在关键位置，即顶部，跨度的1/4和拱的两端。另外，在顶部安装了两个加速度计。使用了30通道静态数据记录仪和10通道动态数据记录仪以及PC，所有仪器均为TML品牌（日本制造）。图2说明了宽裂缝以及已安装的LVDT和加速度计。在桥的下方和附近安装了五个坚固的平台，以提供通往拱腹不同位置的通道，并保护该区域
图2。拱冠和水平LVDT和垂直加速度计的裂纹很大。
8000
德黑兰边
库姆边
7000
6000
5000
负载，[kN]
4000
3000
2000
1000
图3。桥Km-23的静态荷载。
0
0 5 10 15 20
垂直挠度，[mm]
在测试过程中不会掉落碎屑或可能的结构坍塌。
在静态测试中，使用了约6000 kN停止使用的U-33导轨来制造40 kN的砝码。配重平行于桥轴垂直放置，并且彼此之间保持一定距离，以确保载荷均匀分布。另外，使用1280 kN铅（包括12 kN的重量）来达到7280 kN的总负载。载荷逐渐增加，并在载荷每增加240 kN时测量位移。图3显示了静态测试中的Km-23桥。
在动态测试中，一辆1200kN的6轴机车以10、20、40、60和80 km / h的速度通过桥梁上方，在垂直和水平位移以及垂直加速度方面，拱响应是记录下来。采样率为200 Hz，在机车到达桥之前开始记录，并在经过结构上方后继续记录一段时间。
- 静态测试结果
根据北跨的垂直挠度，Km-23桥的静态响应如图4所示。顶部裂纹两侧的两条曲线几乎没有差异，表明拱的行为相对对称。从开始到大约6000 kN的载荷水平，曲线显示出相对成比例的载荷-变形关系和相对刚性的响应。在这个阶段，曲线的斜率下降并且开始大的变形，从而可以假定屈服极限。现场观察表明，在荷载增加和屈服之前，在施工缝处和初始裂缝周围逐渐出现了头发裂缝。裂纹在约4000 kN的载荷水平下变得可见，并且随着载荷的增加而变得越来越宽和越来越深。桥梁的响应不受初始裂缝的影响，尽管引发了许多裂缝，但当挠度仅为11 mm时，其行为仍然保持相对
图4。在静态载荷下，桥Km-23在顶部的垂直挠度。
的刚性和强度，直到屈服极限。
通过水平LVDT测量了冠顶部的裂纹宽度变化，并在图5中进行了绘制。可以看出，裂纹的扩展从测试的开始就一直持续到测试的结束。该曲线表明，在大约6000 kN的载荷水平下，几乎在垂直挠曲开始产生的同时，裂纹扩展的速率增加了。这表明该结构在水平和垂直方向上的屈服同时开始。
在从6000 kN开始并持续到最终阶段的屈服后范围内，响应伴随着施工缝，拱顶，拱的两端和初始裂缝周围的严重裂缝。裂纹形态与屈服前相同，但是裂纹变得越来越深和越来越宽。试验前后的裂纹图如图6所示。在此图中，测试之前存在的裂纹用标记。除了初始裂缝外，还显示了跨度之间的垂直缝隙，施工缝隙。可以看出，在测试过程中，裂纹的模式是
i
8000
7000
6000
5000
负载，[kN]
4000
3000
2000
1000
0
0 1 2 3 4 5
裂纹宽度增加，[mm]
图5。在静态载荷下，拱顶处Km-23桥的裂缝宽度变化。
图6。静态载荷最后阶段的裂纹模式。裂纹表示为 在测试之前存在。
i
由施工缝的几何形状和初始裂缝的位置确定。
在测试过程中，只加载了北部跨度。但是，根据图6，在两个跨度上都出现了裂纹。这两个跨度通过共同的基础和路面相互作用。裂纹被认为是屈服的根本原因，因为直到最后阶段应力水平仍然相对较小。
图6中的裂缝穿过不同的层，包括拱形，拱形墙，混凝土填料和路面层。桥梁的性能表明，所有现存的部件，即拱，拱壁，填充层，墩台，地基，甚至是压载层，都与结构响应相互作用，并有助于承载能力。对强度，刚度和裂缝的考虑表明，该桥的作用类似于多层连续结构，而不是拱形。还观察到，尽管引发了巨大的裂纹，但在整个测试过程中，结构阻力仍继续上升。关键部位的严重开裂仅引起载荷的重新分布和力路径的改变，而没有导致任何失效机制的形成。
对混凝土芯的测试表明，拱中的碳化深度超过50毫米。但是，碳化不会因为缺乏钢筋而破坏结构强度。在当前条件下，桥Km-23承受的最大静态载荷为1200 kN（1200 kN的六轴机车）。如果将此载荷与屈服极限进行比较，则可以设想到较大的强度储备和较高的安全裕度。总体而言，静态测试表明，对于预期的使用载荷，结构破坏，随时间变化的影响和对环境的破坏并未引起普通混凝土桥梁安全性的明显下降。
1.5
1
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
时间（秒）
有限元
实验
垂直位移（毫米）
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
-3
图7。桥顶Km-23桥在时速60 km / h时的动态响应。
该曲线以下垂的挠度开始，并在机车的前后转向架下方达到两个相对较大的峰值。当机车到达下一个跨度时，将开始向上偏转并形成两个相对较小的峰。载荷通过下一个跨度后，立即观察到振幅的急剧下降和结构的平滑响应。在机车通过后，在动力作用下的快速波动和振幅的快速衰减表明存在相对较大的能量吸收能力，并且没有任何共振效应。
图8显示了在移动载荷下，拱顶处Km-23桥的垂直加速度的变化。可以观察到，当负载达到北跨时
- 动态测试结果
在动态测试中，一台1200kN的六轴机车以10、20、40、60和80 km / h的速度通过了桥梁。图7显示了在60km/h的速度下，Km-23桥梁顶部垂直挠度的变化。
，出现较大幅度的快速波动。随着机车到达下一个跨度，振幅急剧减小。当负载通过这座桥时，波动很快就会消失。在所有动态测试中都观察到了这种特性，并指出了在移动机车下的便利性能。
0.6
0.4
0.2
加速度，[g]
0
-0.2
-0.4
-0.6 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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