既有中承式鋼筋混凝土拱橋的狀態(tài)評(píng)估

刁文菊，白 嵩，羅 曦

(重慶市建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心)

拱橋在我國橋梁工程上使用廣泛且歷史悠久。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，橋梁設(shè)計(jì)、施工技術(shù)水平的顯著提高。近些年間，逐漸修建了許多跨徑較大、造型新穎的拱橋結(jié)構(gòu)。中承式鋼筋混凝土拱橋是一種新型橋梁結(jié)構(gòu)型式，得到了大力的推廣。然而，隨著使用年限的增長，以及自然因素和車輛(甚至超載)的影響，橋梁損傷種類和損傷部位越來越多，其程度越來越嚴(yán)重。

1 工程概況

楓香灣大橋位于貴州省湄潭縣湄江河楓香灣，楓香灣大橋立面布置圖見圖1。該橋?yàn)橹谐惺戒摻罨炷凉皹?，全橋長128 m=2×8 m(鋼筋混凝土空心板)+92 m中承式鋼筋混凝土吊桿拱+2×8 m(鋼筋混凝土空心板)，主拱矢度F0=L0/4=23 m。吊桿體系由15根工字鋼組成，工字鋼型號(hào)為I25b，橋面系兩端各3根拱上立柱，鋼筋混凝土立柱尺寸為1.0 m ×0.6 m。橋面凈寬：16 m=9 m(行車道)+2×3.5 m(人行道)，該橋運(yùn)營已經(jīng)超過15年，目前部分吊桿出現(xiàn)銹蝕，橫梁多處出現(xiàn)裂縫，同時(shí)，車輛通過大橋時(shí)，橋梁振動(dòng)反應(yīng)明顯。

設(shè)計(jì)荷載：汽車—超20，掛車—120，人群荷載3.5 kN/m2。

圖1 橋梁立面布置圖

2 混凝土強(qiáng)度及碳化深度檢測

抽取拱座布置混凝土回彈測區(qū)?；炷粱貜棞y區(qū)均為20 cm×20 cm正方形，每個(gè)測區(qū)測試16個(gè)測點(diǎn)，并在每10個(gè)回彈測區(qū)中選取3個(gè)測區(qū)測試混凝土碳化深度。檢測結(jié)果詳見表1。

由上表1可以得出，主拱圈的實(shí)測混凝土強(qiáng)度在57.5～58.2 MPa之間，達(dá)到設(shè)計(jì)混凝土 C40強(qiáng)度要求，橫系梁的實(shí)測混凝土強(qiáng)度在56.8～57.8 MPa之間，達(dá)到設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度C40要求，拱上立柱的實(shí)測混凝土強(qiáng)度為43.8 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度C30要求。

表1 混凝土強(qiáng)度測試結(jié)果

3 全橋有限元損傷模型的建立

楓香灣大橋?yàn)橹骺?2 m的等截面拱橋。根據(jù)實(shí)測值擬合其拱軸線，按懸鏈線擬合的誤差相對(duì)較小，與實(shí)測線形吻合較佳，與實(shí)測值對(duì)比如下圖2。

圖2 懸鏈線擬合拱圈線形

結(jié)構(gòu)分析中采用懸鏈線擬合的拱軸線形。結(jié)合橋梁的病害特征，考慮混凝土的收縮徐變的影響和正常運(yùn)營下的溫度影響，建立結(jié)構(gòu)有限元損傷模型。

4 靜力性能分析

根據(jù)橋梁特點(diǎn)和計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)橋梁的靜力性能試驗(yàn)共分四個(gè)工況進(jìn)行。

工況一：拱頂最大正彎矩工況(正載)。

工況二：拱頂最大正彎矩工況(上游偏載)。

工況三：L/4截面最大正彎矩工況(上游偏載)。

工況四：拱腳截面最大負(fù)彎矩工況(上游偏載)。

其測試結(jié)構(gòu)分別列于下表2、表3中。

表2 各控制截面實(shí)測應(yīng)變與計(jì)算值對(duì)比表

表3 各控制截面實(shí)測撓度與計(jì)算值對(duì)比表

由以上量表可以看出：拱頂截面在各工況中實(shí)測混凝土應(yīng)力值均低于理論計(jì)算值，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.41～0.56之間，撓度校驗(yàn)系數(shù)在在0.29～0.41之間，L/4截面在各工況中實(shí)測混凝土應(yīng)力值均低于理論計(jì)算值，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.54 ～0.67 之間，撓度校驗(yàn)系數(shù)在在0.3 ～0.31 之間，拱腳截面在各工況中實(shí)測混凝土應(yīng)力值均低于理論計(jì)算值，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.63～0.68之間。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求，卸載后相對(duì)殘余應(yīng)變及撓度小于0.2表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，加載過程中測試截面未出現(xiàn)開裂。拱肋結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，抗彎剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并有一定的安全儲(chǔ)備。

5 動(dòng)力性能分析

利用橋梁有限元分析程序?qū)飨銥炒髽蜻M(jìn)行動(dòng)力特性分析，求解其前三階自振頻率、振型，通過與實(shí)測結(jié)果比較，對(duì)結(jié)構(gòu)整體縱向、橫向剛度及穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析。

通過對(duì)自然激勵(lì)響應(yīng)測得數(shù)據(jù)的模態(tài)辨識(shí)，得到模態(tài)基頻和阻尼比，結(jié)果如表4。

表4 模態(tài)參數(shù)實(shí)測值及計(jì)算值

用重320 kN的試驗(yàn)車分別以10 km/h，20 km/h，30 km/h，40 km/h的速度通過橋梁指定橋跨做跑車試驗(yàn)，橋跨在L/4、L/2處豎向振動(dòng)時(shí)域、頻域響應(yīng)值匯于下表5。

表5 控制截面豎向振動(dòng)時(shí)域、頻域響應(yīng)值匯總表

通過以上兩表表分析可得：橋梁脈動(dòng)試驗(yàn)一階頻率為2.15 Hz，對(duì)不同速度跑車響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析得到主要頻率成份為2.39 Hz，由兩種不同動(dòng)載試驗(yàn)所得頻率綜合分析，得出橋梁一階自振頻率實(shí)測值為2.39 Hz，跑車試驗(yàn)引起的L/4、L/2處最大振幅分別為1.80 mm和1.7 mm。實(shí)測值稍大于理論計(jì)算值，結(jié)合靜力性能分析可判定，結(jié)構(gòu)剛度仍然處在較好的狀態(tài)。

6 結(jié)論

通過以上對(duì)楓香灣大橋靜力性能和動(dòng)力性能的分析可知該橋的整體承載力和工作性能目前能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。但該橋的主梁與橫系梁連接處發(fā)現(xiàn)有裂縫存在，減小了橋梁結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性，為橋梁的正常使用埋下了隱患。應(yīng)采取積極的措施予以治理，以消除安全隱患。通過對(duì)該橋的結(jié)構(gòu)計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的工作性能給予正確的評(píng)價(jià)，對(duì)橋梁的可靠性進(jìn)行鑒定，不僅對(duì)該橋，而且對(duì)同類現(xiàn)有橋梁的正常使用、維護(hù)和加固改造均具有一定參考價(jià)值。

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［1］范立礎(chǔ).橋梁工程(上、下冊(cè))［M］.人民交通出版社，2001.

［2］汪斌，陳志忠，蔡敏.混凝土拱橋靜載試驗(yàn)及仿真分析［J］.工程與建設(shè)，2006，20(3)：181-183.

［3］杜國華.橋梁結(jié)構(gòu)分析［M］.同濟(jì)大學(xué)出版社，1994.

［4］李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)［M］.北京：中國鐵道出版社，1992.