鋼筋混凝土上承式拱橋加固前后動力性能測試分析

李 紅

（中鐵二十一局集團第二工程有限公司，甘肅 蘭州730050）

0 引言

橋梁的自振特性和在豎向動荷載（車輛移動與沖擊）下的激振響應是評價橋梁承載能力狀態的一個重要因素。結構的動力分析主要研究結構在動荷載（如行駛車輛、風、地震荷載）作用下的力學行為，其內容主要包括確定結構的自振特性以及動力激勵源作用下結構的響應。其中自振特性是動力分析的基礎。結構固有振動特性反映了結構的整體狀態，它與結構的材料、構造、連接狀況、約束條件、結構尺寸等因素密切相關；橋梁的強迫振動行為能綜合反映其自身的動力特性、車輛及其運動特性、橋面鋪裝的平整狀況等因素。

通過檢測橋梁的自由振動特性及在豎向動荷載（車輛移動與沖擊）作用下的強迫振動反應來評價橋梁的動力性態。

1 工程概況

扎曲河上承式鋼筋混凝土拱橋位于青海省玉樹州雜多縣城內，聯系雜多縣城扎曲河兩岸。由于缺乏相應設計及施工資料，根據相關走訪了解，該橋修建年代為上世紀70年代。該橋主結構為3×35米上承式鋼筋混凝土拱橋，橋面連續，截面由4幅矩形拱肋組成，下部結構采用重力式墩臺，應為鉆孔灌注樁基礎。2014年對該橋進行了維修加固。原技術標準：橋梁寬度：全寬0.5（護欄）+凈6.0m+0.5（護欄），設計荷載：汽—15，驗算荷載：拖—60。加固設計荷載：汽-15，掛-80。

2 橋梁加固強病害

2.1 欄桿部分

全橋欄桿為預制混凝土柱式欄桿，多處明顯破壞損傷，多處欄桿已經缺失。欄桿基座及人行道裂縫發育。

2.2 橋面部分

橋面鋪裝破損較為嚴重，鋪裝層混凝土存在掉塊、裂縫發育。橋面排水孔破損或者堵塞，失去排水功能；橋面存在嚴重積水。

2.3 結構部分

橋面板存在不同程度的裂縫，同時橋面防水層存在破損；拱肋存在不同程度的裂縫及缺損；拱肋及拱腳處已出現多條裂縫。

3 加固改造措施

3.1 橋面系改造：拆除原橋面系，重新設置防水層及伸縮縫、鋪設鋼筋網、澆筑防水混凝土；人行道拆除重建，同時重新設置排水孔；拆除原裝配式混凝土欄桿，更換為輕便式鋼結構欄桿；橋頭增設限高、限寬標志。

3.2 橋面板加固：先處理橋面板裂縫、破損等混凝土缺陷，然后在底部粘貼一層碳纖維布。

3.3 立柱加固：在1#、2#立柱間增加鋼結構剪刀撐，以增強梁體豎向剛度。鋼結構表面涂裝防護。

3.4 拱圈加固：先將拱圈的裝飾凹槽用混凝土填平，在拱肋下緣粘貼6mm鋼板。鋼結構表面涂裝防護。

3.5 橋臺錐坡加固：待橋臺錐坡上垃圾以及覆蓋橋臺基礎的土體清理完畢后，測量觀察基礎位移狀況。縣城方向橋臺漿砌片石完全裸漏后，用M15砂漿修復破損的護坡；其他部位采用注漿方式處理漿砌塊石下的空洞。

3.6 橋墩及基礎加固：橋墩水面處因凍結破損部分，可趁低水位時K-801膠泥修復，然后在混凝土表面涂裝防護。水中基礎部分因河水長期沖刷，在橋墩附近3米范圍內沖刷0.5m深左右，采用人工拋擲袋裝混凝土予以恢復，拋擲范圍為橋墩兩側5米范圍內。

4 動力性能測試原理

4.1 結構動力反應

橋梁運動通行的隨機車輛以不同的運動狀態在橋上行駛，使結構產生動態變形效應，測試指定截面處測點的動應變、動撓度及橋跨的豎向振動特性。

4.2 結構動力特性

結構動力特性測試記錄了兩種方式產生的結構動態反應信號：

（1）利用動態加載產生對結構的激振，測試結構的余振波形信號；

（2）采用脈動法(環境隨機激振法)，在現場測試和記錄各測點對大地脈動(激勵源)的響應信號。

動態信號現場測試儀器及其組合形態如圖2所示。

4.3 測試數據整理

現場測試的動態信號經計算機記錄下來，后期分別在HP3562A動態信號分析儀和DASP或DH軟件平臺上進行分析處理，對各記錄通道信號進行傳遞函數、功率譜密度函數及相干函數等數學分析，獲得結構的動態反應結果。該分析系統框圖如下圖3所示。

5 加固前后動力性能測試

5.1結構動力特性

在受測橋跨檢測橋孔的跨中，放置豎向傳感器，測試了橋跨結構在不同車輛行進條件下的結構振動反應，通過對所記錄的振動時程反應曲線的整理分析，得到結構自由振動的基本性態。同時按照實際結構尺寸建立空間三維實體有限元模型計算了橋跨結構的基本振動頻率和振型，橋跨自振頻率的計算值與實測值列于表1和表2中。

表1 拱橋加固前理論和實測自振特性及評價

表2 拱橋加固后理論和實測自振特性及評價

5.2 結構動力反應

（1）實測各橋跨的動應變曲線和動位移曲線，通過對測點動應變與動位移時程曲線的分析，推得了受測橋跨的荷載沖擊系數，測試分析結果如表3和表4中。

表3 拱橋加固前試驗橋跨沖擊系數(1+μ)表

從橋跨結構沖擊系數的實測值和根據現行規范計算的容許值的比較可知：實測橋跨結構的沖擊系數高于規范值，主要原因是橋跨剛度減弱，車輛在跑車通過橋跨時造成顛簸所至。

表4 拱橋加固后試驗橋跨沖擊系數(1+μ)表

從橋跨結構沖擊系數的實測值和根據現行規范計算的容許值的比較可知：實測橋跨的沖擊系數小于規范限值，表明拱橋目前橋面平順，行車性能良好。

（2）以20kM/h勻速運行的車輛使橋跨產生豎向振動，加固前：瞬時最大振幅達到2.233mm，瞬時最大動應變振幅達到20.46με；加固后：瞬時最大振幅達到1.03mm，瞬時最大動應變振幅達到15.6με。

（3）以30kM/h勻速運行的隨機車輛使橋跨產生豎向振動，加固前：瞬時最大振幅達到2.732mm，瞬時最大動應變振幅達到34.96με；加固后：瞬時最大振幅達到1.24mm，瞬時最大動應變振幅達到24με。

6 結論

從扎曲河上承式鋼筋混凝土拱橋加固前后結構動力性能的測試分析結果來看，結構在加固后的各項動力性能指標全部滿足現行規范及標準的要求，加固效果良好。測試結果也表明對于該類鋼筋混凝土上承式拱橋在立柱間加設鋼結構剪刀撐能夠大幅度的提高結構的橫向振動剛度，減小結構橫向振動幅值。

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