基于橋梁靜動載試驗檢測的下承式鋼管混凝土系桿拱橋工作狀況分析

■王達(dá)龍

（福建省交通科研院有限公司， 福州 350005）

下承式鋼管混凝土系桿拱橋采用無粘結(jié)鋼絞線作為系桿， 以承擔(dān)恒載作用下的拱腳水平推力。該結(jié)構(gòu)類型的橋梁橋面較寬、建筑高度較低、橋面跨度較大且橋下凈空利用率較高。 此結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮出不同材料的優(yōu)勢，且外部為靜定結(jié)構(gòu)，地基和溫度變化對結(jié)構(gòu)影響比較小，是大跨度拱橋較理想的結(jié)構(gòu)形式，因此適用于平原地區(qū)、跨線工程等地形上的推廣和應(yīng)用。

1 工程概述

本文工程實(shí)例為某城區(qū)主干道上的一座下承式鋼管混凝土系桿拱橋，大橋全長488 m，位于直線內(nèi)，兩岸引橋上部構(gòu)造采用預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁。 橋梁通過現(xiàn)澆連續(xù)接頭及張拉負(fù)彎矩鋼束形成連續(xù)體系，橋跨布設(shè)成一聯(lián)5×30 m 雙幅橋；主橋上部構(gòu)造采用下承式鋼管混凝土系桿拱，拱墩固結(jié)，橋跨布設(shè)成（51+80+51）m 雙幅橋。 主橋與引橋之間設(shè)有伸縮量D-160 型伸縮縫， 兩橋臺處設(shè)有伸縮量D-80 型伸縮縫，主墩處拱內(nèi)側(cè)設(shè)有伸縮量D-40 型伸縮縫。下部構(gòu)造：引橋橋墩采用φ140 鋼筋砼三柱式墩身，φ150 鋼筋砼鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；兩岸橋臺為肋式臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。 主橋橋墩采用薄壁門式框架墩，φ200 鋼筋砼鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。 橋梁主橋橋型布置圖及測試截面示意圖如圖1 所示。

圖1 橋梁主橋橋型布置圖及測試截面示意圖

2 外觀缺損狀況檢查結(jié)果

依據(jù)設(shè)計圖紙，按照J(rèn)TG/T H21-2011《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》將全橋分為橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)等部位開展缺損狀況檢查，檢查結(jié)果如下：（1）上部結(jié)構(gòu)：主橋鋼管混凝土拱肋上、下弦管的頂部和側(cè)壁均存在混凝土脫空現(xiàn)象，底部局部存在脫空現(xiàn)象；拱肋表面共19 處局部銹蝕、漆皮剝落。 主橋鋼管混凝土拱肋上、下弦管的頂部和側(cè)壁均存在混凝土脫空現(xiàn)象， 底部局部存在脫空現(xiàn)象；拱肋表面共19 處局部銹蝕、漆皮剝落。 主拱橫撐表面共5 處局部銹蝕，1 處較大面積銹蝕。主橋所有系桿錨頭保護(hù)罩均存在局部銹蝕、 油脂滲漏現(xiàn)象；所有中拱系桿兩端外包鋼管均銹蝕。 主橋橫梁共出現(xiàn)62 處露筋，長0.05～0.50 m；1 處混凝土掉塊露筋，面積0.08 m2；2 處混凝土麻面， 總面積0.88 m2。 主橋行車道板共出現(xiàn)63 處露筋， 長0.03～0.40 m；40 處混凝土掉塊露筋，總面積1.795 m2；7 處混凝土麻面露筋，總面積2.27 m2。 主橋加勁縱梁共出現(xiàn)318 處露筋，長0.03～0.50 m；80 處混凝土掉塊露筋，總面積3.7925 m2；21 處 混 凝 土 麻 面 露 筋， 總 面 積1.73 m2；主橋吊桿大部分都出現(xiàn)上、下錨頭保護(hù)罩局部銹蝕、油脂滲漏，下錨頭保護(hù)罩內(nèi)積水現(xiàn)象；13根吊桿下錨頭保護(hù)罩內(nèi)黃油明顯變質(zhì)；10 根吊桿下錨頭保護(hù)罩內(nèi)黃油較少。 （2）下部結(jié)構(gòu)：主橋橋墩共出現(xiàn)1 條豎向裂縫流白灰，長2.00 m；56 處露筋，長0.10～2.00 m。 （3）橋面系：主橋橋面鋪裝混凝土存在較大面積磨損嚴(yán)重、外露粗骨料現(xiàn)象，橫梁對應(yīng)橋面鋪裝均出現(xiàn)橫向開裂現(xiàn)象， 局部有網(wǎng)裂、縱向開裂、破損、露筋等現(xiàn)象。 全橋人行道護(hù)欄和防撞護(hù)欄底座均存在局部輕微銹蝕現(xiàn)象；護(hù)欄欄桿存在局部銹蝕現(xiàn)象；個別位置存在欄桿脫落和豎撐缺失現(xiàn)象。 主橋系桿、吊桿錨頭保護(hù)罩銹蝕、油脂滲漏主要發(fā)生原因是錨頭處凹槽造成積水或構(gòu)件材質(zhì)問題，可能造成構(gòu)件脫落甚至斷裂，應(yīng)及時進(jìn)行除銹處理，必要時更換受損構(gòu)件。 鋼管拱存在混凝土脫空現(xiàn)象指鋼管與核心混凝土在界面處分離或混凝土內(nèi)部出現(xiàn)不密實(shí)、脫空現(xiàn)象，主要原因是軸向壓力、 溫度和混凝土施工工藝對橋梁的受力模式、承載力和剛度有影響，可能降低橋梁安全性和使用壽命，可使用灌漿等方法處理脫空現(xiàn)象。 該橋總體技術(shù)狀況等級依JTG/T H21-2011《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》評定為3 類。

3 結(jié)構(gòu)無損檢測結(jié)果

3.1 橋面線形

經(jīng)現(xiàn)場量測，引橋和主橋?qū)崪y橋面線型與設(shè)計線型的對比如圖2 所示。 由圖2 可知，扣除橋面南北側(cè)32.0 cm 高差（橫坡2%），北幅橋面南、北側(cè)線型高差最大值為6.7 cm，南幅橋面南、北側(cè)線型高差最大值為5.6 cm，考慮到測量誤差、施工誤差等影響因素，兩幅橋面均未產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、突變等異常現(xiàn)象；實(shí)測橋面線型與設(shè)計線型基本吻合。

圖2 橋面實(shí)測線型與設(shè)計線型對比

3.2 主橋拱軸線型

經(jīng)現(xiàn)場量測， 主橋?qū)崪y拱軸線線型如圖3 所示。 由圖表可知，兩幅主橋兩側(cè)拱肋拱軸線均未發(fā)生突變，線型基本一致。

圖3 主橋拱肋實(shí)測線型

3.3 材質(zhì)強(qiáng)度和碳化狀況

根據(jù)規(guī)范對上述所選取的構(gòu)件采用回彈法對混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測，并對回彈測區(qū)進(jìn)行碳化深度檢測，回彈檢測的強(qiáng)度用碳化深度結(jié)果進(jìn)行修正。檢測結(jié)果表明， 推定強(qiáng)度勻質(zhì)系數(shù)Kbt 均大于0.95，各構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度評定標(biāo)度均為1。

3.4 鋼筋保護(hù)層厚度

選取主橋橫梁4 片、橋墩2 個，對構(gòu)件進(jìn)行鋼筋保護(hù)層厚度的檢測，并計算得出鋼筋保護(hù)層厚度特征值Dne。 所測4 片主橋橫梁的鋼筋保護(hù)層厚度現(xiàn)場實(shí)測評定標(biāo)度為2， 表明鋼筋保護(hù)層厚度對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有輕度影響；所測2 個橋墩的鋼筋保護(hù)層厚度評定標(biāo)度為1， 表明鋼筋保護(hù)層厚度對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性影響不明顯。

3.5 鋼管焊縫質(zhì)量

選取4 根鋼管，對鋼管焊縫外觀、寬度、表面余高等項目進(jìn)行檢測。 所測4 片鋼管焊縫表面均無裂紋、氣孔、弧坑和灰渣等缺陷，焊縫表面光滑均勻，焊道與母材平穩(wěn)過渡，無咬邊、錯邊、未滿焊等現(xiàn)象。焊縫寬度均焊出坡口邊緣2～3 mm。焊縫余高均符合二類焊縫標(biāo)準(zhǔn)。 檢測結(jié)果表明該橋鋼管焊縫質(zhì)量良好。

3.6 吊桿索力

選取4 根吊桿進(jìn)行現(xiàn)場量測，實(shí)測頻率及其與2015 年檢測結(jié)果的對比如表1 所示，SA5# 和SB7#兩根吊桿的實(shí)測加速度時程曲線圖和頻譜圖如圖4所示。 檢測結(jié)果表明，此次檢測吊桿所得一階頻率與2015 年檢測結(jié)果較為接近，吊桿索力無明顯變化。

表1 吊桿頻率實(shí)測結(jié)果

圖4 吊桿實(shí)測加速度時程曲線圖和頻譜圖

4 荷載試驗結(jié)果及分析

4.1 橋梁靜載試驗

4.1.1 檢驗對象及靜載試驗工況

結(jié)合外觀檢查結(jié)果以及現(xiàn)場試驗條件，主橋選定2 跨作為試驗對象。 根據(jù)該橋竣工圖紙、現(xiàn)場實(shí)測參數(shù)以及檢測結(jié)果，應(yīng)用有限元軟件對橋梁進(jìn)行建模計算，模型如圖5 所示。 試驗主要測試截面如圖6 所示，試驗工況如表2 所示。 試驗用掛車-120，汽車-超20 活載產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值來進(jìn)行等效換算，從而得出試驗所需荷載、車輛輪位及加載車輛等[3]。

圖5 下承式鋼管混凝土系桿拱計算模型圖

表2 試驗測試內(nèi)容

4.1.2 測點(diǎn)布置

（1）應(yīng)變測點(diǎn)。 主橋控制截面為南幅第6 跨拱頂截面（SA1）、大里程側(cè)拱腳截面（SA2）、5# 橫梁截面（H1）、第7 跨拱頂截面（SB1）、L/4 拱截面（SB2）、小里程側(cè)拱腳截面（SB3）、7# 橫梁截面（H2）。 在主橋拱肋各控制截面的頂部、底部以及側(cè)面粘貼鋼筋應(yīng)變片，用DH3815 數(shù)據(jù)采集儀測量；在主橋橫梁控制截面底部粘貼混凝土應(yīng)變片， 使用型號DH3815 數(shù)據(jù)采集儀測量。 各控制截面應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖7 所示。（2）撓度測點(diǎn)。主橋控制截面為南幅第6 跨拱頂截面（SA1）、5# 橫梁對應(yīng)橋面、第7 跨拱頂截面（SB1）、第7 跨L/4 和3L/4 拱截面（SB2 和SB2′）、7#橫梁截面對應(yīng)橋面。在主橋拱肋各控制截面底部吊裝塔尺，采用精密水準(zhǔn)儀測量；在主橋橫梁對應(yīng)的橋面布設(shè)銦鋼尺，采用精密水準(zhǔn)儀測量。各控制截面撓度測點(diǎn)布置如圖6 所示。 （3）裂縫觀測。觀測各試驗工況作用下相應(yīng)截面的裂縫開展情況。

圖6 控制截面撓度測點(diǎn)布置示意圖

圖7 控制截面應(yīng)變測點(diǎn)布置示意圖

4.1.3 橋梁靜載結(jié)果及分析

（1）撓度：依據(jù)規(guī)程[1]，主橋南幅各控制截面撓度校驗系數(shù)為0.79～0.93，處于該規(guī)程規(guī)定的常值范圍0.75～1.00；相對殘余撓度最大值為13.8%，均小于該規(guī)程的規(guī)定值20%。 根據(jù)試驗結(jié)果，主橋南幅剛度總體上滿足設(shè)計要求， 結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。 （2）應(yīng)變：依據(jù)規(guī)程[1]，主橋南幅各控制截面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.79～0.95，各控制截面應(yīng)變校驗系數(shù)均處該規(guī)程規(guī)定的常值范圍0.75～1.00；相對殘余應(yīng)變最大值為17.4%， 均小于該規(guī)程的規(guī)定值20%。（3）裂縫：各試驗工況作用下各試驗橋跨結(jié)構(gòu)相應(yīng)控制截面均未見新裂縫產(chǎn)生。

4.2 橋梁動載試驗

在橋梁位置附近無規(guī)則振源的情況以及橋面無交通荷載的情況下，測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋梁位置處地脈動、風(fēng)荷載等隨機(jī)荷載激振而引起的小微橋跨結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，分析橋跨結(jié)構(gòu)自振特性，測試橋跨結(jié)構(gòu)阻尼比和自振頻率[2]。

4.2.1 豎向自振特性試驗

在主橋南幅中跨四分點(diǎn)對應(yīng)的橋面人行道側(cè)位置布置DH610V 豎向拾振器。檢測信號經(jīng)FFT 分析、模態(tài)分析，橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測豎向1 階模態(tài)參數(shù)及其與理論值的比較如圖8 所示，豎向測點(diǎn)時域波形圖和頻譜圖如圖9 所示。 試驗結(jié)果顯示，該橋?qū)崪y豎向1 階自振頻率為2.25 Hz， 大于理論計算值2.03 Hz，結(jié)果表明振型理論計算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果相同。 該橋橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測豎向1 階頻率值和理論值的比值為1.11，根據(jù)規(guī)程[3]橫向自振頻率評定標(biāo)度為1。 根據(jù)結(jié)果，該橋結(jié)構(gòu)的動剛度滿足要求。

圖8 實(shí)測與理論豎向自振頻率及振型圖比較

圖9 豎向測點(diǎn)時域波形圖和跨中測點(diǎn)頻譜圖

4.2.2 橫向自振特性試驗

在主橋南幅各跨拱肋L/4、拱頂、3L/4 截面的頂面布置DH610H 橫向拾振器。實(shí)測的信號經(jīng)FFT 分析、模態(tài)分析，該橋橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測橫向1 階模態(tài)參數(shù)及其與理論值的比較如圖10 所示， 橫向測點(diǎn)時域波形圖和頻譜圖如圖11 所示。 試驗結(jié)果表明，該橋橫向1 階自振頻率為0.69 Hz， 大于理論計算值0.63 Hz，實(shí)測與理論振型一致。 實(shí)測橫向1 階頻率值與理論值的比值為1.10，根據(jù)規(guī)程[2]該橋橫向自振頻率的評定標(biāo)度為1。根據(jù)試驗結(jié)果可以得出，該橋結(jié)構(gòu)動剛度滿足規(guī)程要求。

圖10 實(shí)測與理論橫向自振頻率及振型圖比較

圖11 橫向測點(diǎn)時域波形圖和跨中測點(diǎn)頻譜圖

4.3 結(jié)論

綜上所述， 該橋總體技術(shù)狀況評定為3 類，橋跨結(jié)構(gòu)承載能力目前能夠滿足設(shè)計荷載等級（掛-120，汽超-20）要求。

5 結(jié)語

本研究采用大型有限元計算軟件建立理論模型，進(jìn)行橋梁外觀檢查、結(jié)構(gòu)無損檢測和橋梁靜動載試驗檢測，從而評價某下承式鋼管混凝土系桿拱橋工作性能是否滿足要求，可為該橋今后的養(yǎng)護(hù)加固提供技術(shù)支持，也可為其他同類型橋梁的工作性能評價提供參考借鑒。