運營多年的剛架拱橋加固效果評價

鐘輝武

（1.廣東盛翔交通工程檢測有限公司，廣東廣州511400；2.廣東和立土木工程有限公司，廣東廣州511400）

0 引言

剛架拱橋具有桿件少、自重輕、施工簡便、材料省、造價低、造型美觀等優點，現役橋梁中仍大量存在，不過剛架拱橋由于整體性較差，容易出現結構開裂、損傷等病害，大部分剛架拱橋需進行維修或加固。但是隨著社會經濟的發展及交通流量增長，該類型的橋梁在加固運營多年后，其承載能力是否下降，能否滿足原加固設計荷載標準的要求，需要進行評估[1]。以某鋼筋混凝土剛架拱橋為研究對象，通過荷載試驗評定該橋，在加固且運營多年后的承載能力是否滿足原加固設計荷載標準要求，同時評價加固效果是否良好[2]。

1 工程概況

博羅大橋位于羅陽鎮，跨越東江，1999年建成。橋梁全長1083.26m，引橋橋面全寬為23m，主橋橋面全寬25.4m。該橋上部結構橋跨組合為16m+2×45m+2×80m+16×45m+6m，其中主橋上部結構為鋼筋混凝土等截面中承式吊桿拱；引橋上部結構為單跨跨徑45m（墩中距47.5m），矢跨比為1/8 的變截面實心矩形鋼筋混凝土剛架拱、16m 跨徑的鋼筋混凝土簡支T 梁和6m 跨徑的鋼筋混凝土簡支肋梁。主橋橋墩采用鋼筋混凝土空心墩、沉井基礎，其余墩采用鉆孔灌注樁基礎。橋梁設計荷載等級為：汽車-20 級，掛車-100，人群3.5kN/m2。該橋于2010年對6～9#跨主拱肋、弦桿采用10mm 厚度的鋼板加固，橫系梁采用8mm 厚度的鋼板加固，主拱腳、斜腿采用增大截面外包15cm 厚的鋼筋混凝土加固。

2 靜載試驗

2.1 測試橋跨與控制截面

為評定剛架拱橋的承載能力，根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2011）并結合現場條件，選取該橋6#跨作為試驗橋跨，應力控制截面設4 個（A、B、C、D 截面，），撓度控制截面設1 個（A截面）。測試控制截面如圖1所示，截面應變測點布置圖如圖2～5所示。

圖1 測試控制截面（單位：cm）

圖2 A 截面撓度、應變測點布置圖（單位：cm）

圖3 B 截面應變測點布置圖（單位：cm）

圖4 C 截面應變測點布置圖（單位：cm）

圖5 D 截面應變測點布置圖（單位：cm）

2.2 靜載試驗工況及加載效率

根據該橋竣工及加固設計圖紙，本次荷載試驗以汽車-20 級，掛車-100 作為橋梁控制荷載，其中汽車荷載按規范計入沖擊效應。采用MIDAS/Civil 通用有限元軟件建立剛架拱橋全橋空間有限元模型（連拱空間有限元模型，見圖6），并考慮連拱效應，模型共劃分為9116 個節點和9687 個空間梁單元及1776 個板單元，采用該模型進行設計荷載及試驗荷載內力、試驗荷載反應和自振特性的分析計算[3]。根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2011）規定：靜力荷載試驗效率宜介于0.95～1.05 之間。靜載試驗荷載效率如表1所示。車輛布載示意圖如圖7～10所示。

表1 靜載試驗荷載效率

圖6 連拱空間有限元模型

圖7 工況一車輛布載示意圖（單位：cm）

圖8 工況二車輛布載示意圖（單位：cm）

圖9 工況三車輛布載示意圖（單位：cm）

圖10 工況四車輛布載示意圖（單位：cm）

2.3 靜載試驗結果分析

各控制截面在試驗工況下，主要控制測點實測應變值均小于理論計算值，主要控制測點的應變校驗系數范圍為0.06～0.98，卸載后相對殘余變形均小于20%，測試結果規律正常，表明所測橋跨強度滿足設計要求；拱頂截面在試驗工況下，測點實測撓度均小于理論計算值，各撓度測點的校驗系數為0.59～0.96，所測橋跨剛度滿足設計要求。卸載后相對殘余變形均小于20%，表明結構處于彈性工作狀態，實測數據與理論值對比分析，見圖11～20所示。

圖11 工況一拱頂A 截面應變測點（中載）彈性應變值與計算值對比圖

圖12 工況一拱頂A 截面（中載）撓度實測值與理論值對比圖

圖13 工況二拱頂A 截面應變測點（偏載）彈性應變值與計算值對比圖

圖14 工況二拱頂A 截面（偏載）撓度實測值與理論值對比圖

圖15 工況三拱腳最大負彎矩B 截面應變測點（中載）彈性應變值與計算值對比圖

圖16 工況四拱腳最大負彎矩B 截面應變測點（偏載）彈性應變值與計算值對比圖

圖17 工況三斜腿根部最大負彎矩C 截面應變測點（中載）彈性應變值與計算值對比圖

圖18 工況四斜腿根部最大負彎矩C 截面應變測點（偏載）彈性應變值與計算值對比圖

圖19 工況三L/4 截面最大正彎矩D 截面應變測點（中載）彈性應變值與計算值對比圖

圖20 工況四L/4 截面最大正彎矩D 截面應變測點（偏載）彈性應變值與計算值對比圖

3 動載試驗

3.1 試驗測點布置及試驗工況

環境隨機激振法試驗：測試點布置在6#跨1/4L、2/4L、3/4L 的橋面；無障礙行車試驗：測試截面布置在6#跨跨中截面，在4#拱肋布置2 個動應變測點，試驗工況采用4 種車速（20～50km/h）跑車進行動力響應測試。

3.2 試驗結果分析

3.2.1 自振頻率測試

采用低頻高靈敏振動傳感器測定主拱圈自振及脈動信號，通過頻譜分析得到拱肋結構的豎向自振頻率，阻尼比根據自振信號的衰減特性計算得到。實測6#跨豎向一階頻率2.148Hz 略大于理論計算頻率2.002Hz，表明結構實際剛度大于理論計算剛度，與靜載試驗撓度檢測結果相符，自振頻率測試結果如表2所示。

表2 自振頻率測試結果

3.2.2 沖擊系數計算

橋梁沖擊系數采用動應變和動撓度的時程曲線計算。結合現場條件，采用動應變時程曲線計算橋梁沖擊系數，實測20～50km/h 跑車試驗下，6#跨4#肋的沖擊系數，分別為0.041～0.103，并與車速有十分明顯的相關性，在時速（20～40km/h）沖擊系數大于規范計算值（0.10），50km/h 的沖擊系數基本與規范計算值相符合[4]，跑車試驗實測沖擊系數，如表3所示；沖擊系數隨車速變化曲線，見圖21。

表3 跑車試驗實測沖擊系數

圖21 沖擊系數隨車速變化曲線

4 結論

一是靜載試驗控制截面在試驗工況下主要控制測點實測應變值均小于理論計算值，主要控制測點的應變校驗系數、卸載后相對殘余變形均滿足規范要求，表明所測橋跨強度滿足設計要求；

二是拱頂截面在試驗工況下主要測點實測撓度均小于理論計算值，各撓度測點的校驗系數、卸載后相對殘余變形均滿足規范要求，表明所測橋跨剛度滿足設計要求；

三是豎向一階頻率2.148Hz 略大于理論計算頻率2.002Hz，表明結構實際剛度大于理論計算剛度，與靜載試驗撓度檢測結果相符。

分析結果表明：經加固運營多年后的某剛架拱橋承載能力滿足原加固設計荷載標準，原采取的拱腳、斜腿增大截面、拱肋粘貼鋼板加固效果良好。