- 54 -

http://www.ivypub.org/cet

Civil Engineering and Technology

September 2013, Volume 2, Issue 3, PP.54-60

Research on Loading Test of Double-curved

Arch Bridge Yonggang Gou

1, Shengquan Liang

1, Fengnian He

1, Feng Yang

1, Yaofang Wan

2, Zhimeng Shi

3†

1. Yidu Highway Administration, Yidu 443300, China

2. Yidu Highway Construction Development Co, Ltd, Yidu 443300, China

3. Wuhan University of Technology, School of Transportation, Wuhan 430063, China

†Email: 358460861@qq.com

Abstract

The deflections and strains of the tested bridge, a three double-curved arch bridge targeted to the loading experiment, are

investigated in the equivalent loads of each control section; meanwhile the dynamic parameters including vibration and modes are

examined to evaluate the maximum bearing capacity of bridge structure. Based on the existing evaluation method on the bridge

bearing capacity, the performance and carrying capacity of the bridge are assessed, which is of great reference value to the kind

bridge design and loading test.

Keywords: Double-curved Arch Bridge; Loading Test; Load Carrying Capacity

双曲拱桥荷载试验分析 笱永刚 1，梁圣全 1，何丰年 1，杨锋 1，万尧方 2，施志萌 3

1. 宜都市公路局，湖北 宜都 443300

2. 宜都市中路建设开发有限公司，湖北 宜都 443300

3. 武汉理工大学，湖北 武汉 430063

摘 要：通过一座三跨双曲拱桥的荷载试验，测试桥梁在等效荷载作用下各控制截面的挠度值及应变值，同时测试了自

振频率和模态动力参数，检验桥跨结构的实际承载能力。参照现有桥梁承载力评估方法，对该桥整体受力性能和和承载

能力做出了评价，该研究方法可供同类型桥梁设计以及荷载试验参考。

关键词：双曲拱桥；荷载试验；承载能力评估

前言

桥梁荷载试验一般分为静载试验与动载试验，通过对桥梁结构的直接加载，了解桥梁结构在实验荷载作

用下的实际工作状态，进而对桥梁结构的安全性进行评估[1-3]。静载试验是通过测试桥梁结构在试验荷载作用

下控制截而的应变、位移来分析判定桥梁的承载能力。动载试验是通过测试桥梁在动载作用下的响应，分析

桥梁的频率和振型等模态参数，根据动力响应和模态参数进行桥梁承载能力的评定[4]。

1 工程概况

聂河大桥位于 X218 县道宜都市境内，是当地重要的双曲拱桥，桥面全宽 9.44m，桥梁全长 108.204m，

跨径布置为 25m+32.5m+25m。该桥主要技术标准为：荷载等级：汽－15，人群荷载：2.5kN/m2；桥面宽：0.18m

（护栏）+1.00m(人行道)+7.00m(行车道)+1.00m(人行道)+0.18m（护栏）。

2 有限元计算分析

对该双曲拱桥建模计算，计算模型如图 1 所示。选取第一跨（边跨）作为试验跨，并且作出如下假设：

- 55 -

http://www.ivypub.org/cet

混凝土、钢材为理想弹性材料，混凝土的弹性模量为常数；不考虑人行道、栏杆的刚度；不考虑裂缝对结构

抗弯刚度的影响，即按结构在正常状态下进行计算；截面变形符合平截面假设；边跨主拱拱肋混凝土参数取

C30，E＝3.0×104MPa，填料取 E＝0.23×10

3MPa；该桥桥墩与拱肋的抗推刚度比大于 38，因此可以按单跨拱

桥计算。

图 1 聂河大桥有限元计算模型

3 静载试验

3.1 试验工况

通过计算出全桥内力包络图，确定设计加载方案的检测断面和控制内力。由于现场组织标准加载车队有

一定困难，故而采用单车总重为 245kN 的车队进行加载。本次荷载试验共安排 4 个试验工况，以检测控制截

面承受正载和偏载时的承载能力，试验工况详见表 1。本桥行车道宽 7m，活载按 2 车道汽-15 级进行布载计

算；效率系数中冲击系数按 0.15 取值（考虑填料厚度影响的折减），人群荷载按 2.5kPa 考虑[5-6]。

表 1 聂河大桥边跨静载试验工况及效率系数一览表

静载工况 控制截面及加载项目 加载车（辆-kN） 加载效率系数 加载方式

1 边跨拱脚截面：负弯矩 2-245 0.85 正载

2 边跨 L/4 截面：正弯矩 2-245 0.99 正载

3 边跨跨中截面：正弯矩 2-245 1.00 正载

4 边跨跨中截面：正弯矩 2-245 0.93 偏载

3.2 测点布置

挠度测点：于边跨跨中，沿主拱拱肋横向布置 6 个机电百分表挠度测点，如图 2。

图 2 边跨跨中挠度测点布置示意图

应变测点：于边跨拱脚（A）、边跨 1/4(B)、边跨拱顶(C)3 个截面布置 18 个应变片，如图 3、图 4。

图 3 边跨加载控制截面及应变测点布置图 图 4 边跨截面应变测点布置图

- 56 -

http://www.ivypub.org/cet

4 测试结果分析比较

4.1 挠度

拱顶截面加载（工况 3 和工况 4）条件下，L/2 截面各片拱肋挠度最后一级加载测试结果见表 2 和表 3

所示，正值表示向下挠度，6 片拱肋挠度横向分布情况见图 5 和图 6。拱顶截面加载工况下，L/2 截面挠度测

试校验系数在 0.61～0.98 之间，均小于 1.0，残余变形小于 20%，表明该桥的刚度满足设计荷载汽－15 级要

求[6]。

表 2 工况 3－正载：聂河大桥边跨 L/2 截面测点挠度一览表（单位：mm）

测点截面 边跨 L/2 截面 (拱肋编号：1 号为上游，6 号为下游)

拱肋编号 1 2 3 4 5 6

实测值 0.56 0.56 0.60 0.56 0.54 0.49

实测平均值 0.55

理论值 0.57 0.72 0.82 0.82 0.72 0.57

理论平均值 0.70

校验系数 0.98 0.78 0.73 0.68 0.75 0.86

残余变形 0.00 0.00 0.08 0.01 0.02 0.08

表 3 工况 4－偏载：聂河大桥边跨 L/2 截面测点挠度一览表（单位：mm）

测点截面 边跨 L/2 截面 (拱肋编号：1 号为上游，6 号为下游)

拱肋编号 1 2 3 4 5 6

实测值 0.50 0.52 0.50 0.54 0.48 0.38

实测平均值 0.49

理论值 0.82 0.81 0.82 0.77 0.59 0.39

理论平均值 0.70

校验系数 0.61 0.64 0.61 0.70 0.81 0.97

残余变形 0.00 0.00 0.00 0.04 0.06 0.00

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 1 2 3 4 5 6 7

拱肋号

L/2截

面挠

度(m

m)

实测值 理论值

图 5 工况 3 正载：边跨 L/2 截面挠度分布

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

0 1 2 3 4 5 6 7

拱肋号

L/2截

面挠

度(m

m)

实测值 理论值

图 6 工况 4 偏载：边跨 L/2 截面挠度分布

- 57 -

http://www.ivypub.org/cet

4.2 应变

各加载工况作用下，控制截面最后一级加载应变测试结果见表 4～表 7 所示。应变符号定义：正值表示

拉应变，负值表示压应变。工况 1 和工况 2 情况下 6 片拱肋应变横向分布情况见图 10 和图 11。

拱脚和 L/4 截面应变测试校验系数在 0.44～0.94 之间，均小于 1.0，残余应变小于 20%；虽然拱顶控制

截面在加载过程中 2#拱肋～5#拱肋出现裂缝，但是根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）

条 8.3.1，试验荷载作用下裂缝扩展宽度未超过表 7.3.4 的限值（对于砖、石、混凝土拱，拱圈横向容许最大

缝宽为 0.30mm），且卸载后裂缝闭合宽度小于扩展宽度的 2/3（试验加载过程中 2#拱肋～5#拱肋最大缝宽为

0.24mm，卸载后裂缝闭合宽度为 0.10mm，小于扩展宽度的 2/3，裂缝高小于截面高一半）。综合测试结果表

明：该桥的强度可以满足设计荷载汽－15 级要求，但是拱顶强度储备偏小[6-7]。

表 4 工况 1 正载：边跨拱脚截面下缘应变测试结果（单位：με）

测点截面 边跨拱脚截面(拱肋编号：1 号为上游，6 号为下游)

拱肋编号 1 2 3 4 5 6

应变实测值 -22 -36 -26 -35 -26 -25

实测平均值 -28

理论平均值 -39

校验系数 0.73

残余应变 1 0 1 2 1 1

表 5 工况 2 正载：跨 L/4 截面应变测试结果（单位：με）

测点截面 边跨 L/4 截面(拱肋编号：1 号为上游，6 号为下游)

拱肋编号 1 2 3 4 5 6

应变实测值 11 29 27 19 21 18

实测平均值 21

应变理论值 25 31 36 36 31 25

理论平均值 31

校验系数 0.44 0.94 0.75 0.53 0.68 0.72

残余应变 0 2 1 1 1 0

表 6 工况 3 正载：边跨 L/2 截面应变测试结果（单位：με）

测点截面 边跨 L/2 截面(拱肋编号：1 号为上游，6 号为下游)

拱肋编号 1 2 3 4 5 6

应变实测值 38 23 18 211 212 9

实测平均值 /

应变理论值 32 38 49 49 38 32

理论平均值 40

校验系数 / / / / / /

残余应变 1 0 -12 -23 -22 0

表 7 工况 4 偏载：边跨 L/2 截面应变测试结果（单位：με）

测点截面 边跨 L/2 截面(拱肋编号：1 号为上游，6 号为下游)

拱肋编号 1 2 3 4 5 6

应变实测值 31 35 23 215 190 12

实测平均值 /

应变理论值 46 45 49 44 34 22

理论平均值 40

校验系数 / / / / / /

残余应变 1 1 -1 23 17 1

- 58 -

http://www.ivypub.org/cet

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5 6 7

拱肋号

拱脚

截面

下缘

应变

(με

)

实测值 理论值

图 7 工况 1：边跨拱脚截面应变分布

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5 6 7

拱肋号

L/4截

面下

缘应

变(με

)

实测值 理论值

图 8 工况 2：边跨 L/4 截面应变分布

5 动载试验

5.1 脉动试验

使用高灵敏度的传感器和放大器，测量外界各种因素所引起的桥梁微小且不规则的振动，然后进行谱分

析，最终得到桥梁结构的动力特性（自振频率和阻尼比）[8]。

5.2 跳车试验

在边跨 L/4 桥面处设置高度 10cm 的障碍物，然后用 1 辆皮卡车以低速越过障碍物后停车，以测定桥梁

结构在冲击荷载作用下的衰减自由振动响应，进行谱分析，得到桥梁结构的动力特性（自振频率和阻尼比）。

在桥面上布置 3 个竖向加速度传感器，分别为边跨 L/4 测点 A1、L/2 测点 A2 和 3L/4 测点 A3，测点位

置如图 9 所示。

0#桥台1#桥墩

拱

顶

中心

线

加速度传感器

A1 A2 A3

图 9 振动加速度测点布置示意图

5.3 固有频率和阻尼比的测试结果

聂河大桥边跨前 2 阶固有频率计算值和测试值及基频阻尼比见表 8，面内前 2 阶振型见图 10～图 11。测

- 59 -

http://www.ivypub.org/cet

试得到的脉动工况下的加速度频谱曲线见图 12，跳车工况下的加速度频谱曲线见图 13。

表 8 聂河大桥边跨结构固有频率和阻尼比

项目 试验值 计算值

第一跨

第 1 阶频率（Hz） 11.38 10.56

第 2 阶频率（Hz） 12.25 10.86

基频阻尼比（%） 0.608 /

图 10 聂河大桥边跨结构第 1 阶竖向振型图 图 11 聂河大桥边跨结构第 2 阶竖向振型图

图 12 脉动工况下边跨桥梁结构加速度响应谱 图 13 跳车工况下边跨桥梁结构加速度响响应谱

6 试验结果分析

通过对聂河大桥荷载试验的测试数据分析，可得出如下结论：

（1）在静载试验工况荷载作用下的挠度测试校验系数在 0.61～0.98 之间，均小于 1.0，残余变形小于 20%，

表明该桥的刚度满足设计荷载汽－15 级要求。

（2）脚和 L/4 截面应变测试校验系数在 0.44～0.94 之间，均小于 1.0，残余应变小于 20%；虽然拱顶控

制截面在加载过程中 2#拱肋～5#拱肋出现裂缝，但是根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T

J21—2011）条 8.3.1 对试验结果进行评定，可以判定该桥的强度满足设计荷载汽－15 级要求，但是拱顶强度

储备偏小。

（3）实测的桥梁结构前两阶固有频率值均大于理论计算值，表明桥梁结构的动力特性满足设计要求。

REFERENCES

[1] 宋一凡. 公路桥梁荷载试验与结构评定[M]. 北京: 人民交通出版社, 2002, 46-48

[2] JTG/T J21－2011, 公路桥梁承载能力检测评定规程

[3] 张劲泉, 王文涛. 桥梁检测与加固手册[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007: 270-290

[4] JTG D60-2004, 公路桥涵设计通用规范

[5] 张劲泉, 李万恒, 任红伟, 等. 公路旧桥承载力评定方法及工程实例[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007: 125-136

- 60 -

http://www.ivypub.org/cet

[6] 张劲泉, 徐岳, 叶见曙, 等. 公路旧桥检算分析指南及工程实例[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007: 146-160

[7] 石雄伟, 王开明, 蒋姣, 等. 基于新旧设计规范的桥梁荷载试验加载效率研究. 公路交通科技(应用技术版), 2012 年 09 期:

263-266

[8] 王凌波, 贺拴海, 蒋培文, 王均利. 大跨径桥梁荷载试验加载方案算法设计. 武汉理工大学学报, 2011, 33(3)

【作者简介】

1 笱永刚，男，湖北松滋人，高级工程师，毕业于南京大学，

在职工程硕士研究生，现从事道路桥梁技术及管理工作。

3 施志萌（通讯作者），男，云南临沧人，在校硕士研究生，

现就读于武汉理工大学。