剛架拱橋的病害分析及承載力評定

黃洪猛，劉汝生，魏相君

（1.西北民族大學，甘肅蘭州 730124；2.濟南鐵路局設計所，山東濟南 250000）

0 前言

剛架拱橋屬于有推力的高次超靜定結構[1]，由于其構件少、自重輕、造型美觀、經濟實用、受力合理等特點，在20世紀80～90年代得到廣泛使用。但是剛架拱橋的整體性較差，橫向聯系較薄弱，近年來，隨著行車密度及車輛載重的不斷增大、橋梁自身的不斷老化、破損等原因，剛架拱橋已不能滿足現行運營荷載的要求，并且出現了大量病害，因此有必要對剛架拱橋的病害原因進行分析，對承載力進行評定，為后期加固提供技。

1 工程背景

蘭州市某剛架拱橋建于1986年，橋梁全長83.3 m，橋面凈空：凈-7 m+2×0.75 m人行道。主跨上部結構為1-40 m剛架拱橋，由3塊鋼筋混凝土拱片組成，設計凈矢高為5.0 m，矢跨比為1/8，拱片截面為矩形。每個拱片由拱腿(直線段),實腹段(底弧為二次拋物線)、弦桿、斜撐組成，拱片間用14道現澆橫系梁聯結,各構件預制吊裝后現澆混凝土接頭，拼裝預制微彎板后現澆鋪裝層形成現在的橋面。原設計荷載為汽-20，掛—100，抗震設防烈度7度，地震動峰值加速度為0.15 g。剛架拱橋的總體布置見圖1。

圖1 剛架拱橋總體圖示

2 病害分析

2009年12月對該橋進行詳細的表觀狀態檢測，通過現場狀態檢查，主要病害表現為：（1）橋面鋪裝出現大面積坑槽、積水，橋面碎石剝離；（2）伸縮縫卡塞、失效；（3）微彎板接縫開裂、砂漿剝落、泛堿、外緣劣化，并且微彎板出現了橫向裂縫，有鋼筋銹蝕現象；（4）拱片混凝土碳化深度較大，平均大于6 mm，原設計強度低；（5）個別橫系梁與拱片連接處底部出現嚴重開裂現象。

造成橋梁出現以上病害的主要原因為：（1）原橋面板混凝土強度低，配筋少，微彎板厚度不足，造成橋面鋪裝層剛度不足，重載車輛作用下導致橋面鋪裝破壞；（2）橋面不平整放大了車輛活載對橋梁結構的沖擊作用，加速了對橋梁構件的損傷；（3）微彎板的側向水平推動作用使橫系梁受拉導致開裂，在長期荷載作用下橫系梁的橫向連接功能減弱，導致橋梁橫向剛度降低；（4）橋面滲水導致微彎板開裂、銹蝕，降低了橋梁承載力。

3 荷載試驗[2]

為了更進一步了解剛架拱橋是否存在隱蔽病害，結構的整體受力性能和動力性能是否滿足現行運營要求，2009年12月按照公路-Ⅱ荷載要求對橋梁進行荷載試驗，測試控制截面的應變、位移及結構的動力特性、動力響應，并與理論計算值進行對比，從而對橋梁的承載能力進行評定。

3.1 荷載試驗方案

經計算分析，跨中截面、大節點位置截面（約為L/4截面）、拱腳截面為結構的最不利位置，因此靜載試驗只對這三個控制截面進行最不利加載，分別測試各工況下的應變和位移。

現場靜載試驗荷載依據公路-Ⅱ設計荷載等效為4輛重車進行加載，分別為370 kN、348 kN、369 kN、328 kN，通過調整各車的間距，使控制截面的試驗荷載效率滿足0.95～1.05的要求[3]。應變測點共24個，位移測點共6個。跨中截面的最不利加載采用中載和偏載，大節點位置截面和拱腳截面最不利加載采用偏載。

為了檢驗橋梁的動力性能及整體性能，對剛架拱橋進行了脈動試驗和跑車試驗，測試上部結構的動力特性及動力響應。其中脈動試驗是在上部結構跨中布置橫、豎向加速度傳感器，測得脈動信號，通過頻譜分析，求得結構的自振特性；跑車試驗是讓靜載試驗車輛分別以20 km/h、30 km/h、40 km/h的速度勻速通過橋梁，通過在跨中布置動應變測點，測試應變時程曲線，從而求得在跑車下的橋梁動力反應。

3.2 有限元理論分析

采用橋梁結構分析有限元軟件Midas Civil對橋梁進行理論計算，有限元模型見圖2。剛架拱橋計算建立在桿系結構的假定基礎上,采用彈性支承連續梁簡化計算方法求解橫向分布系數[4]，以荷載橫向分布系數來考慮荷載分布，從而將空間問題轉化為平面問題。

圖2 剛架拱橋有限元分析模型

3.3 測試結果分析及承載力評定

各工況試驗荷載作用下，剛架拱控制截面測點的位移及應力的計算及試驗結果見表1。

表1 控制截面測點靜載位移分析結果

由表1可以看出，靜載試驗荷載作用下，測點的位移校驗系數均在0.29～0.97范圍之內，均小于1.0，但某些測點的校驗系數已超出撓度校驗系數常值0.50～0.90范圍，另外個別測點的相對殘余變形已超出20%，說明結構豎向剛度已稍有不足，并且混凝土超出彈性工作狀態。

從靜載應變試驗結果來看，跨中拱頂截面實測應變數值較大，應變校驗系數為0.71～1.72，超出常值0.40～0.80范圍，并且大于1，說明試驗荷載作用下結構的整體性較差，已不能滿足公路-Ⅱ設計荷載要求。

橋梁脈動測試的豎、橫向基頻分別為3.96 Hz、1.95 Hz，其值稍高于理論計算頻率2.90 Hz、1.54 Hz，說明結構的實際剛度稍大于理論值，基本能夠滿足原設計要求。依據《公路橋涵設計通用規范》[5]沖擊系數1+μ=0.176 71 lnf-0.015 7=1.228，早期拱橋動力系數取值1.12，跑車試驗下的橋梁動力系數最大值為1.327，實測應變沖擊系數大于原設計值,說明路面狀況的惡化造成的局部沖擊現象較為嚴重，對桿件受力帶來不利影響，車輛過橋時，橋梁振幅較大，對橋梁系統的連接也不利，影響橋梁的整體性能。

4 結論

通過對剛架拱橋的病害進行現場調查，并分析產生病害的原因，結合荷載試驗對承載力進行評定，得出以下結論：

（1）早期混凝土強度低及目前重載車輛的不斷增加是造成剛架拱橋承載力降低的主要因素。

（2）通過靜載試驗，位移校驗系數及應變校驗系數已超出常值范圍，并且大于1，說明橋梁的剛度稍有不足，出現病害后的橋梁承載力已不能滿足現行運營要求。

（3）通過動載試驗，實測橋梁的沖擊系數已超出計算值，說明路面狀況的惡化造成的局部沖擊現象較為嚴重，對桿件受力帶來不利影響；另外車輛過橋時振動較大，對橋梁系統的連接也不利，影響橋梁的整體工作性能。

[1]范立礎.橋梁工程（上、下冊）[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]諶潤水,胡釗芳.公路橋梁荷載試驗[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3]JTG/T J21—2011,公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].2011.

[4]張正權.剛架拱橋的受力分析與加固[D].浙江杭州:浙江大學碩士學位論文,2006.

[5]JTG D60—2004,公路橋涵設計通用規范[S].2004.