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(yōu)點，現(xiàn)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(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂、損傷等病害，大部分剛架拱橋需進(jìn)行維修或加固。但是隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要進(jìn)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(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)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(zhèn)，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(jié)構(gòu)橋跨組合為16m+2×45m+2×80m+16×45m+6m，其中主橋上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土等截面中承式吊桿拱；引橋上部結(jié)構(gòu)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(chǔ)，其余墩采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁設(shè)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(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）并結(jié)合現(xiàn)場條件，選取該橋6#跨作為試驗橋跨，應(yīng)力控制截面設(shè)4 個（A、B、C、D 截面，），撓度控制截面設(shè)1 個（A截面）。測試控制截面如圖1所示，截面應(yīng)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(yīng)變測點布置圖（單位：cm）

圖3 B 截面應(yīng)變測點布置圖（單位：cm）

圖4 C 截面應(yīng)變測點布置圖（單位：cm）

圖5 D 截面應(yīng)變測點布置圖（單位：cm）

2.2 靜載試驗工況及加載效率

根據(jù)該橋竣工及加固設(shè)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(guī)范計入沖擊效應(yīng)。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(yīng)，模型共劃分為9116 個節(jié)點和9687 個空間梁單元及1776 個板單元，采用該模型進(jìn)行設(shè)計荷載及試驗荷載內(nèi)力、試驗荷載反應(yīng)和自振特性的分析計算[3]。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）規(guī)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(jié)果分析

各控制截面在試驗工況下，主要控制測點實測應(yīng)變值均小于理論計算值，主要控制測點的應(yīng)變校驗系數(shù)范圍為0.06～0.98，卸載后相對殘余變形均小于20%，測試結(jié)果規(guī)律正常，表明所測橋跨強(qiáng)度滿足設(shè)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(shù)為0.59～0.96，所測橋跨剛度滿足設(shè)計要求。卸載后相對殘余變形均小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，實測數(shù)據(jù)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(yīng)變測點（中載）彈性應(yīng)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(yīng)變測點（偏載）彈性應(yīng)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(fù)彎矩B 截面應(yīng)變測點（中載）彈性應(yīng)變值與計算值對比圖

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

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

圖18 工況四斜腿根部最大負(fù)彎矩C 截面應(yīng)變測點（偏載）彈性應(yīng)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(yīng)變測點（中載）彈性應(yīng)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(yīng)變測點（偏載）彈性應(yīng)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(huán)境隨機(jī)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(yīng)變測點，試驗工況采用4 種車速（20～50km/h）跑車進(jìn)行動力響應(yīng)測試。

3.2 試驗結(jié)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(jié)構(gòu)的豎向自振頻率，阻尼比根據(jù)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(jié)構(gòu)實際剛度大于理論計算剛度，與靜載試驗撓度檢測結(jié)果相符，自振頻率測試結(jié)果如表2所示。

表2 自振頻率測試結(jié)果

3.2.2 沖擊系數(shù)計算

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

表3 跑車試驗實測沖擊系數(shù)

圖21 沖擊系數(shù)隨車速變化曲線

4 結(jié)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(yīng)變值均小于理論計算值，主要控制測點的應(yīng)變校驗系數(shù)、卸載后相對殘余變形均滿足規(guī)范要求，表明所測橋跨強(qiáng)度滿足設(shè)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(shù)、卸載后相對殘余變形均滿足規(guī)范要求，表明所測橋跨剛度滿足設(shè)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(jié)構(gòu)實際剛度大于理論計算剛度，與靜載試驗撓度檢測結(jié)果相符。

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