某危舊雙曲拱橋靜動力荷載試驗研究

曹習明

(湖南漣邵建設工程(集團)有限責任公司，湖南 婁底 417000)

0 引言

雙曲拱橋結構整體性較差，隨著交通量飛速增長，大量帶病運營的雙曲拱橋的安全狀況堪憂。為了保證橋梁的運營安全，避免跨橋的危險情況出現，需要對雙曲拱橋進行外觀檢測和靜動力荷載試驗，檢驗雙曲拱橋在長期運營后、在長期超載情況下的狀況進行評估，確定其荷載等級，為橋梁的管養提供決策。

某雙曲拱橋建成于1979年，投入運營至今已三十年，運營時間較長;橋梁上部構造為單孔凈跨徑25 m鋼筋混凝土裝配式雙曲拱，主拱凈矢高為2.5 m，凈矢跨比為1/10。主拱圈橫向11肋10波，兩側設懸半波，肋間設4道橫系梁及3道橫隔板橫向連接，主拱上沿拱頂對稱設有6個腹拱，腹拱墩均為柱式結構，腹拱圈由混凝土預制塊拼砌而成，下部構造為擴大基礎配重力式U形橋臺(見圖1)。

圖1 雙曲拱橋立面圖

1 橋梁常規檢測評估

根據規范要求，對該橋測定主要承重構件的混凝土強度、碳化深度、鋼筋銹蝕狀況、混凝土電阻率、混凝土氯離子含量、混凝土保護層厚度、鋼筋分布等指標，并對規范規定的檢查項目逐一進行了檢查，為評定橋梁的使用安全性與耐久性提供基礎數據等檢查。

通過檢查發現，橋梁的主要病害是橋面出現坑洼，影響橋面的平順;副拱圈開裂;拱上填料滲水;拱肋拱腳處混凝土脫落，露筋銹蝕、拱頂濕接頭脫空(見圖2，圖3)，嚴重影響了橋梁的整體性和結構承載能力。通過橋梁專項檢測，測區的混凝土強度、氯離子含量、碳化深度、電阻率、鋼筋的布置情況均滿足規范的要求，處在較好的狀態。

根據檢測結果，進行橋梁結構檢算，橋梁現狀承載能力不能滿足原設計荷載汽—20級，掛—100的荷載正常使用極限承載能力要求，也不能滿足現行城市橋梁荷載城—B級的正常使用極限承載能力要求。

為了確定橋梁的承載能力，對橋梁進行靜動力荷載試驗，以確定橋梁的正常使用極限承載能力。

圖2 主拱肋病害示意圖

圖3 4號拱肋拱頂空洞病害

2 橋梁靜載試驗研究

根據大橋的設計荷載，結合城市橋梁荷載規范、大橋目前的車流狀態及道路狀況，確定試驗荷載為城—B。根據大橋的竣工資料，以及橋梁的檢查信息，采用橋梁博士建立大橋的單片拱肋平面桿系模型，拱上填料及橋面鋪裝剛度取主拱肋的1/1 000，僅考慮其重力荷載及荷載傳遞作用。各拱肋的橫向分布系數采用彈性支撐連續梁法進行計算。計算模型如圖4所示。

圖4 結構有限元模型圖

采用檢算荷載城—B作為試驗基準荷載，試驗時根據橋梁控制截面的設計最大內力值，采用等效荷載的原則，計算出試驗等代荷載。根據計算，本橋的試驗荷載效率見表1，從表1中可以看出試驗加載效率滿足《試驗方法》要求。

表1 試驗荷載效率表

大橋荷載試驗工況包括:

1)拱頂控制截面最大正彎矩偏載;

2)0號臺側拱腳控制截面最大負彎矩偏載;

3)0號臺側拱腳控制截面最大負彎矩對稱加載;

4)拱腳最大水平推力偏載。本文限于篇幅，主要討論工況1。

根據檢測結果，1號拱肋側拱肋病害較為嚴重，因此選擇拱頂最大正彎矩偏載工況設定在偏1號拱肋邊。采用四輛三軸重車進行分兩級加載，同時觀測拱頂的應力和撓度。加載圖如圖5所示，測點布置圖如圖6所示。

圖5 工況1加載示意圖

圖6 測點布置示意圖

根據測到的應力和撓度數據，和理論值進行對比，得到結果如表2，表3所示。

表2 拱頂截面肋底鋼筋應力結果表 MPa

表3 拱頂截面撓度結果表 mm

由表2可知，由于拱頂的濕接頭空洞存在，拱肋的剛度很小，本該由4號拱肋承擔的荷載大部分轉移到3號和5號及其他拱肋承擔，4號拱肋的校驗系數僅為相鄰拱肋的2/5左右。由表3可知，3號～6號拱肋的校驗系數均大于1，但大橋的整體協調變形能力較好。

結合規范，在最大試驗荷載作用下，試驗橋跨控制截面最大應力的校驗系數小于《試驗方法》規定的1.10，但最大撓度的校驗系數大于《試驗方法》規定的1.10，表明在試驗荷載作用下該橋強度滿足而剛度不滿足原試驗基準的正常使用要求。拱肋拱頂的接頭空洞的存在嚴重影響了大橋的承載能力。

3 大橋動荷載試驗研究

橋梁結構的動力除與橋梁本身及荷載的動力特性有關外，還與橋面平整度及車輛運行狀況等因素有關，所以通過動力荷載試驗測定結構在動力荷載作用下的強迫振動反應，可以判斷結構的動力特性。

動態測試采用的主要儀器有:AZ－108型動態數據采集儀、AZ－808型放大及濾波器、TS3832型動態應變數據采集儀、筆記本電腦、CRAS動態信號采集分析軟件系統、941－B型垂直向振動傳感器。動載試驗選用一輛靜載試驗用重車作為激振設備，車輛總重約為30 t。

在橋梁第1跨(0號臺～1號墩)八分跨各截面處各布置一個模態測點，共布置9個模態測點;在橋梁第1跨的0.5L截面處布置一個動位移測點，共布置1個動位移測點進行跑車、跳車和剎車測試。布置示意圖如圖7所示。

圖7 試驗橋跨模態測點及動位移測點布置圖

通過試驗數據處理，得到各種工況下的沖擊系數表，如表4所示，從表中數據可以看出，大橋跑車時沖擊系數最大達到1.30，結果表明實測沖擊系數偏大，分析其原因主要是由于橋面鋪裝層嚴重破損造成重車行駛時產生較大的沖擊。

表4 不同車速下沖擊系數觀測結果表

通過大橋的脈動試驗，進行模態參數的試驗分析，得到大橋前兩階的模態結果，見表5，通過表5數據分析，可以得知，實測值與理論校驗系數之比為0.92，小于規范的參考值1.2，表明該橋上部結構剛度整體上處于較差狀態。

表5 大橋振動參數

4 結語

通過橋梁的靜動力荷載試驗，對舊雙曲拱橋的病害進行了檢查，根據檢查結果，針對性的進行了橋梁靜力和動力荷載試驗。通過試驗得到如下結論:

1)在橋梁的病害中，控制截面的空洞和裂縫對橋梁的整體剛度和承載能力危害巨大，如有發現須盡快維修加固;

2)測到的模態頻率與理論頻率比較小，大橋的整體剛度偏低，需要將大橋的裂縫和空洞修復后再次試驗，大橋的動力性能測試結果反映了橋梁的目前狀態。

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