大跨雙曲拱橋安全檢測及動(dòng)載試驗(yàn)分析

陳亮

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,湖南 長沙 410200)

20世紀(jì)六七十年代修建的雙曲拱橋,由于建造年代較久,加上交通量增加、荷載等級提高、復(fù)雜自然和周邊環(huán)境等多因素的影響,出現(xiàn)不同程度結(jié)構(gòu)性能弱化,有的甚至出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞。為確保運(yùn)營雙曲拱橋的正常使用,制定合理的維修加固計(jì)劃,需定期對其性能技術(shù)狀況進(jìn)行檢測和評估。該文以長沙橘子洲大橋典型雙曲拱橋?yàn)槔?進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況檢測,結(jié)合動(dòng)載試驗(yàn)測試不同工況下橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能,分析其結(jié)構(gòu)安全狀況,為維修加固提供合理數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

橘子洲大橋?yàn)殚L沙市東西主干道的重要連接通道,也是長沙市第1座跨湘江大橋。屬于典型的大型鋼筋砼雙曲拱公路橋,全長1 250 m,共21跨,主橋17跨(8×76 m＋9×50 m)采用拱軸系數(shù)m為2.24的等截面懸鏈線無鉸雙曲拱,河?xùn)|岸四孔引橋(18 m＋20 m＋23 m＋27 m)采用m為3.5的等截面懸鏈線無鉸雙曲拱,橋梁最大跨徑76 m,橋梁寬度為20 m(行車道14.0 m＋人行道2×3.0 m)。設(shè)計(jì)荷載等級為汽－20、掛－100級、人群荷載3.5 kN/m2。橋型布置見圖1。

圖1 長沙橘子洲大橋側(cè)面圖

2 安全檢測分析

2.1 橋梁幾何形態(tài)參數(shù)

橋跨結(jié)構(gòu)縱向線形檢測結(jié)果表明：該橋左右兩側(cè)橋面整體線形較平順,實(shí)測拱軸線與設(shè)計(jì)線形基本吻合；東引橋1＃～4＃跨基本與m為3.5的等截面懸鏈線無鉸雙曲拱的線形一致,主橋76 m及其50 m跨基本與m為2.24的等截面懸鏈線無鉸雙曲拱的線形一致；實(shí)測主拱圈凈跨徑和凈失高與設(shè)計(jì)值存在一定誤差,可能是由拱腳處與墩頂結(jié)合部位測量誤差或拱腳結(jié)合部位施工誤差造成的。

2.2 砼強(qiáng)度

該橋主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件均采用表面涂裝。由于測試條件受到限制,選取2個(gè)構(gòu)件采用回彈法進(jìn)行測試。結(jié)果表明：抽檢橋跨拱肋砼強(qiáng)度推定值均在50 MPa以上。根據(jù)JGJ/T 23－2011《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》,砼齡期超過1 000 d。

2.3 砼碳化深度

按砼強(qiáng)度測試點(diǎn)選擇砼碳化深度測試區(qū)域,結(jié)合砼構(gòu)件的鋼筋分布和保護(hù)層厚度,采用酚酞試劑法測試各構(gòu)件砼碳化深度。結(jié)果表明：抽檢橋跨拱肋砼碳化狀況評定標(biāo)度為1。依據(jù)JTG/T J21－2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》,該橋梁結(jié)構(gòu)砼構(gòu)件的碳化對鋼筋銹蝕影響不明顯。

2.4 鋼筋保護(hù)層厚度

采用電磁無損檢測法進(jìn)行砼結(jié)構(gòu)鋼筋分布狀況調(diào)查,測得砼保護(hù)層實(shí)際厚度,將測試結(jié)果與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比,得到該橋上部結(jié)構(gòu)拱肋的保護(hù)層厚度評定標(biāo)度為1或2,砼保護(hù)層對構(gòu)件鋼筋影響不明顯或?qū)儆谳p度影響。

2.5 砼鋼筋銹蝕

砼鋼筋銹蝕檢測采用半電池電位試驗(yàn)方法,根據(jù)實(shí)際情況與測試要求,選取上部承重結(jié)構(gòu)主拱肋進(jìn)行鋼筋銹蝕檢測,共選擇2個(gè)構(gòu)件、120個(gè)測點(diǎn)。結(jié)果表明：抽檢橋跨上部結(jié)構(gòu)拱肋的鋼筋銹蝕狀況評定標(biāo)度為2,存在銹蝕性活動(dòng),但具體銹蝕狀態(tài)不確定。

2.6 拱上填料質(zhì)量

通過地質(zhì)雷達(dá)掃描對路面下部三渣填料進(jìn)行檢測,查明不密實(shí)及脫空位置。縱向掃描結(jié)果(見圖2)顯示：右半幅行車道(以由東往西為軸線方向)存在9處不密實(shí)、1處脫空；右半幅超車道存在8處不密實(shí)；左半幅行車道存在7處不密實(shí)；左半幅超車道存在9處不密實(shí)；不密實(shí)基本位于路面以下60～110 cm處。橫向掃描結(jié)果顯示：有8處不密實(shí),路面中部及兩邊均存在不密實(shí)現(xiàn)象,以路面中部不密實(shí)居多,且不密實(shí)基本位于路面以下70～110 cm處。

圖2 拱上填料局部不密實(shí)檢測結(jié)果

采用瑞典KUAB－150 FWD落錘式彎沉儀檢測回彈彎沉與填料層回彈模量,結(jié)果顯示：全橋彎沉均值總體較小,但變異較大,局部位置彎沉偏大。

采用動(dòng)力錐貫入儀檢測填料頂面回彈模量,結(jié)果顯示：全橋填料回彈模量標(biāo)準(zhǔn)差較大,變異較大,整體離散性較大。

2.7 橋梁承載能力

依據(jù)JTG/T J21－2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》對橋梁現(xiàn)場檢測和承載能力進(jìn)行檢算,評定上部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算截面承載能力滿足原設(shè)計(jì)荷載等級的通行要求。

3 76 m跨動(dòng)載試驗(yàn)分析

3.1 測試內(nèi)容及方案

動(dòng)載試驗(yàn)主要包括脈動(dòng)試驗(yàn)、跑車試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)及剎車試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括環(huán)境激勵(lì)下脈動(dòng)試驗(yàn)和試驗(yàn)汽車列車以不同速度勻速行駛激振,根據(jù)橋梁振動(dòng)信號及應(yīng)變、撓度信號,分析橋梁的自振特性和動(dòng)力響應(yīng)特性。

3.2 脈動(dòng)試驗(yàn)

在主橋邊跨、中跨和3/4跨徑處的橋面中間布置高靈敏傳感器(見圖3),記錄橋梁結(jié)構(gòu)在隨機(jī)環(huán)境情況下的振動(dòng)情況。采用模態(tài)分析軟件對結(jié)構(gòu)頻率、阻尼和振型進(jìn)行分析,得到橋梁的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性。橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)自功率譜密度曲線采用峰值法分析。頻譜分析中,將時(shí)域數(shù)據(jù)經(jīng)過快速傅里葉變換得到幅值譜,然后對有效幅值進(jìn)行分析得到橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率(見圖4)。

圖3 傳感器測點(diǎn)布置

圖4 脈動(dòng)試驗(yàn)過程

3.3 跑車、剎車和跳車試驗(yàn)

動(dòng)荷載測點(diǎn)布置在兩跨拱頂截面拱肋底板處(見圖5)。其中：跑車試驗(yàn)主要是將試驗(yàn)車輛以一定速度勻速通過橋梁,測量不同速度下橋梁特征位置的動(dòng)力特性；剎車試驗(yàn)是試驗(yàn)車輛以一定速度在主跨跨中處剎車,測量橋梁的動(dòng)力響應(yīng)；跳車試驗(yàn)是車輛以一定速度跨越橋面不平障礙物,測定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征。

圖5 76 m跨動(dòng)載測試橫斷面布置(單位：cm)

3.4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 頻率、阻尼比

通過脈動(dòng)試驗(yàn)測量橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。圖6為測點(diǎn)的速度時(shí)程響應(yīng)(脈動(dòng)試驗(yàn)測點(diǎn)較多,僅選取其中1個(gè)通道的速度時(shí)程響應(yīng)),圖7為對應(yīng)速度時(shí)程響應(yīng)的平均反應(yīng)譜曲線,表1為實(shí)測頻率。

圖6 76 m跨脈動(dòng)試驗(yàn)時(shí)程曲線

圖7 76 m跨速度平均反應(yīng)譜曲線

表1 橋梁結(jié)構(gòu)脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

從表1可看出：該橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)測固有頻率為1.95 Hz,實(shí)測基頻對應(yīng)的阻尼比為0.45%。

3.4.2 第7跨沖擊系數(shù)

依據(jù)JTG/T J21 01－2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》,采用橋面無障礙行車下動(dòng)撓度時(shí)程曲線計(jì)算沖擊系數(shù)。不同車速工況下第7跨的動(dòng)撓度時(shí)程曲線見圖8,沖擊系數(shù)見表2。

圖8 不同速度下第7跨的動(dòng)撓度時(shí)程曲線

表2 不同工況下第7跨的沖擊系數(shù)

由表2可知：跑車試驗(yàn)實(shí)測第7跨最大動(dòng)力沖擊系數(shù)為0.033,小于JTG D60－2015的規(guī)定值0.05。

3.4.3 第8跨沖擊系數(shù)

不同車速工況下第8跨動(dòng)撓度時(shí)程曲線見圖9,沖擊系數(shù)見表3。

由表3可知：跑車試驗(yàn)實(shí)測第8跨最大動(dòng)力沖擊系數(shù)為0.038,小于規(guī)范規(guī)定值0.05。

圖9 不同速度下第8跨的動(dòng)撓度時(shí)程曲線

表3 不同工況下第8跨的沖擊系數(shù)

4 結(jié)論

(1)橘子洲大橋目前主要承重構(gòu)件的技術(shù)狀況較好,整體受力性能滿足相關(guān)規(guī)范及原設(shè)計(jì)要求,上部結(jié)構(gòu)主拱圈驗(yàn)算截面承載能力滿足汽－20、人群荷載3.5 kN/m2的荷載等級要求。

(2)橋跨實(shí)測基頻高于理論計(jì)算值,實(shí)測阻尼比在規(guī)范限值內(nèi),不同工況下主跨實(shí)測沖擊系數(shù)低于理論值。

(3)梁拱上立柱、立墻滲水、銹脹露筋、開裂等病害較多,建議進(jìn)行加固處理；橋面鋪裝病害較嚴(yán)重,橋面系技術(shù)狀況評定為D級,建議更換橋面系。