某鋼管混凝土拱橋加固后性能分析

■　黃瑋（1.福建省建筑科學(xué)研究院，福州　350025；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州　350025）

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某鋼管混凝土拱橋加固后性能分析

■黃瑋1，2
（1.福建省建筑科學(xué)研究院，福州350025；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350025）

摘要橋梁工程的檢測(cè)評(píng)定不但能及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁運(yùn)營中的隱患，還能對(duì)既有橋梁進(jìn)行性能評(píng)估，為理論分析提供反饋。本文以一座鋼管混凝土拱橋?yàn)槔ㄟ^有限元分析、靜力荷載試驗(yàn)和環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)其加固后性能進(jìn)行分析，為同類結(jié)構(gòu)提供了參考。

關(guān)鍵詞鋼管混凝土拱橋靜載試驗(yàn)環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)性能分析

橋梁工程是交通系統(tǒng)的樞紐工程，維護(hù)橋梁安全運(yùn)行關(guān)系重大。橋涵養(yǎng)護(hù)工作以“預(yù)防為主，防治結(jié)合”為原則，通過經(jīng)常檢查、常規(guī)定期檢查、結(jié)構(gòu)定期檢查和特殊檢查，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)營橋梁中存在的安全隱患，再配合適當(dāng)?shù)木S修加固手段，保障橋梁結(jié)構(gòu)在使用期間的性能滿足需求［1-4］。本文通過一座鋼管混凝土拱橋的加固后性能實(shí)例分析，對(duì)該橋型的設(shè)計(jì)、施工、加固改造等提供了參考。

1　工程概況

該大橋上部為一孔凈跨46m、凈矢跨比1/3的鋼管砼中承式肋拱。拱肋為二次拋物線，由Φ800× 14mm鋼管內(nèi)灌C30混凝土組成肋拱斷面。橋面以下用Φ600×8mm的下橫撐和斜撐，橋面上用Φ700× 10mm的上橫撐將兩拱肋聯(lián)成整體。橋面系采用現(xiàn)澆鋼筋砼橫梁和縱梁橋面板。吊桿原設(shè)計(jì)為109絲Φ5高強(qiáng)鋼絲組成，采用PE防護(hù)。橋臺(tái)為重力式橋臺(tái)，基礎(chǔ)為剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面寬度：凈-12+2×0.25（防護(hù)欄）+2×0.8（拱肋）+2×1.75（人行道）+2×0.2（欄桿）=18.0m。設(shè)計(jì)荷載：汽車-20級(jí)，掛車-100級(jí)，人群荷載3.5kN/m2。

2009年9月第三方對(duì)該橋進(jìn)行了檢測(cè)，主要結(jié)論如下：

鋼管拱肋與橋面銜接部位橡膠密封失效，導(dǎo)致該處漏水嚴(yán)重，橋面以下主拱圈鋼管銹蝕。主拱鋼管焊縫質(zhì)量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)部分焊縫存在缺陷。部分吊桿存在其中鋼絲未拉緊、漏油、滲水嚴(yán)重現(xiàn)象。部分錨頭、錨板銹蝕嚴(yán)重，易引起鋼絲銹蝕；同時(shí)，下游側(cè)中心吊桿錨具四絲未擰上。橫梁和縱梁裂縫密布，部分裂縫寬度超過0.2mm。兩岸橋臺(tái)臺(tái)帽均出現(xiàn)混凝土破損、露筋和漏水現(xiàn)象；據(jù)回彈測(cè)試結(jié)果，橋臺(tái)拱座混凝土實(shí)際強(qiáng)度較設(shè)計(jì)值較低。橋面鋪裝存在縱橫向裂縫，橡膠伸縮縫失效，橡膠支座出現(xiàn)剪切變形。

主拱圈主要受力截面和橫梁跨中截面各工況出現(xiàn)實(shí)測(cè)應(yīng)力（應(yīng)變）超過理論應(yīng)力（應(yīng)變）的情況，且超出比重較大；主拱和橫梁撓度均出現(xiàn)實(shí)測(cè)值超出理論值的情況，且橫梁表現(xiàn)較主拱明顯；試驗(yàn)表明，大橋經(jīng)過十多年運(yùn)營，橋梁承載能力已不能達(dá)到設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求。

基于以上結(jié)論，2010年6月該大橋進(jìn)行了加固施工：鋼管拱肋除銹防腐；更換全橋吊桿；封閉縱橫梁裂縫；處理臺(tái)帽露筋病害；修補(bǔ)橋面鋪裝裂縫；更換橡膠支座、伸縮縫等。

2　加固后性能測(cè)試

2.1索力測(cè)試

新吊桿索體采用1860MPa級(jí)15根φ15.24環(huán)氧噴涂無粘結(jié)鋼絞線纏包后外擠，索體外徑φ107mm，破斷索力3906kN。經(jīng)無線索力采集系統(tǒng)測(cè)試，結(jié)果表明，吊桿索力測(cè)試值與設(shè)計(jì)值的平均相對(duì)誤差在10％以內(nèi)，符合規(guī)范［5］中規(guī)定，斜拉索或吊索索力與設(shè)計(jì)值允許偏差為10％的要求。詳見表1所示。

2.2靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)橋梁的剛度和強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)性能要求，對(duì)各測(cè)試截面，按照內(nèi)力等效的原則，按內(nèi)力影響線布置試驗(yàn)荷載，使得試驗(yàn)荷載效率不小于0.8且不大于1.05。表2中詳細(xì)列出了試驗(yàn)各工況的荷載效率。

表1　吊桿索力測(cè)試

表2　試驗(yàn)荷載效率表

由于篇幅限制，本文僅列出工況一下結(jié)構(gòu)的加載方案及測(cè)試結(jié)果。車輛布置詳見圖1；撓度和應(yīng)變的測(cè)試結(jié)果詳見表3～表4。工況一控制截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)、相對(duì)殘余應(yīng)變最大值、相對(duì)殘余撓度最大值均滿足規(guī)程［6］的要求；拱肋、橫梁撓度的校驗(yàn)系數(shù)不滿足規(guī)程［6］的要求。

圖1　工況一靜載試驗(yàn)車輛布置

表3　工況一撓度檢測(cè)結(jié)果匯總表

表4　工況一應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果匯總表

2.3環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)

在車道側(cè)邊的吊桿相對(duì)應(yīng)的橋面以及第1、2、5、8及9吊桿處拱肋上方，放置加速度傳感器，測(cè)點(diǎn)布置詳見圖2。利用橋梁結(jié)構(gòu)在各種隨機(jī)環(huán)境激勵(lì)（包括日常隨機(jī)車輛、行人、天然風(fēng)、水流、地脈動(dòng)的組合）下引起的振動(dòng)響應(yīng)，采集響應(yīng)的加速度信號(hào)。本次試驗(yàn)采樣頻率為100Hz，采樣時(shí)間為20min。

實(shí)測(cè)信號(hào)經(jīng)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到該拱橋的豎向前兩階振型和頻率，詳見表5。數(shù)據(jù)表明，實(shí)測(cè)豎向一階頻率小于理論計(jì)算頻率，表明現(xiàn)狀橋梁豎向剛度小于設(shè)計(jì)剛度。理論與實(shí)測(cè)前兩階豎向振型對(duì)比圖詳見圖3～圖4。

圖2　環(huán)境振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表5　自振頻率實(shí)測(cè)和理論值匯總表

圖3　理論與實(shí)測(cè)豎向一階振型（拱肋）

圖4　理論與實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)豎向二階振型（橋面）

3　結(jié)論分析

靜載試驗(yàn)和環(huán)境振動(dòng)測(cè)試共同反映出該鋼管混凝土拱橋的剛度小于加固設(shè)計(jì)要求，一是由于該橋型大多采用吊桿橫梁受力為主的受力體系，整體性較差；二是單圓管截面鋼管混凝土拱橋的性能受鋼管內(nèi)混凝土灌漿密實(shí)度影響大。因此結(jié)構(gòu)經(jīng)過加固改造施工后，各試驗(yàn)控制截面的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，但剛度不滿足設(shè)計(jì)要求，建議限載通行。

參考文獻(xiàn)

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