某鋼管混凝土拱橋加固后荷載試驗研究

劉立火

（健研檢測集團有限公司，福建 廈門 351000)

1 工程概況

某鋼管混凝土拱橋全長257.24m，橋面寬度為23.4m，橋寬組成為4.2m（人行道系）+15m（行車道）+4.2m（人行道系），主橋為三孔中承式鋼管混凝土無鉸拱橋，每孔凈跨為70.2m，矢跨比為1/3，主拱肋軸線為二次拋物線。鋼管拱肋為雙肋啞鈴型，拱肋高2.3m，雙肋間距為16.4m，每孔拱肋之間采用5 根鋼橫撐進行連接。主拱圈由2 根直徑為900mm 鋼管加上中腹鋼板支撐形成穩定結構體系，啞鈴形鋼管內灌注強度等級為C50 高強混凝土。原吊桿采用73 絲φ7 高強鋼絲外包不銹鋼護套，護套內灌注防護水泥砂漿，錨具采用墩頭錨。橋面系為裝配式鋼筋混凝上空心板和預應力混凝土橫梁，每跨約為5m，在墩上蓋梁和拱上橫梁設置板式橡膠支座，全橋共設置4 道伸縮縫。橋墩和橋臺均采用重力式混凝土結構，明挖擴大基礎，兩岸橋臺引拱采用凈跨徑為10m 的圓弧拱。橋跨設計荷載為汽車超20 級，掛車120 級，人群3.5kN/m2。橋梁按照設計圖紙進行加固改造施工，具體內容如下：全橋吊桿更換成GJ15-22 型環氧鋼絞線，錨具采用250 夾片式與GJB 擠壓式組合型拉索錨具；增設加勁縱梁；采用環氧砂漿修補混凝土裂縫、露筋和剝落等部位；采用環氧樹脂類灌漿料對主拱圈弦管進行壓漿；更換橡膠支座；橋面鋪裝修復；鋼橫撐和鋼管拱肋做除銹防腐處理等。橋梁立面布置如圖1 所示。

圖1 某鋼管混凝土拱橋立面布置圖

2 荷載試驗目的

橋梁的荷載試驗主要分為靜載試驗和動載試驗兩部分。靜載試驗主要測量橋梁結構在各試驗工況作用下控制截面的應變和撓度，并對相應的校驗系數進行評定，從而確定橋梁結構截面強度及整體剛度是否滿足設計要求。動載試驗主要對橋梁結構進行脈動試驗和無障礙行車試驗，從而獲取橋跨結構的自振頻率和沖擊系數，以評定橋梁的實際動力響應性能[1][2]。

3 靜載試驗與結果

3.1 加載車確定

根據設計荷載汽車超20 級以確定理論計算荷載[3]，最終加載車采用4輛重量約為40t 的三軸載重貨車，貨車前、中軸距為2.8m，中、后軸距為1.35m，輪距為1.9m。

3.2 試驗工況確定

根據橋梁結構特征及各跨外觀檢測情況，選擇第3 跨作為試驗跨，試驗工況和測試項目如表1 所示。

表1 試驗工況和測試項目表

3.3 加載方式與測點布置

（1）本工程加載方式采用分級加載，各個工況均分3 級加載，最后一次卸零。

其中工況1～工況4，布置2 列2 排共4 輛車，工況5 布置單排3 列共3 輛車。

工況1～工況4 情況下，2 排加載車縱向均對稱布置于距測試截面2.5m 處（中軸），外側加載車輪中心距路緣石0.5m 處；工況5 情況下，3 輛加載車單排橫向對稱于道路中心線布置，中軸位于第31#梁頂部。各工況下，車列間距均為1.3m。

在正式加載試驗前，采用2 輛加載車在測試位置進行預加載試驗，以消除結構非彈性變形，預加載后應卸至零荷載。

（2）測點布置。在主拱肋測試截面上下緣各布置1 個應變測點，采用振弦式應變計進行應變測量，在橫梁跨中測試截面底面布置1 個應變測點，采用電阻應變片進行應變測量，全橋共布置13 個應變測點。在主拱肋左右拱肋測試截面各設置1 個撓度測點，對應處橋面各設置1 個撓度測點，在31#橫梁跨中設置1 個撓度測點，全橋共設置11 個撓度測點，撓度采用百分表和水準儀進行測量。

3.4 荷載效率計算

荷載效率計算公式如下：

各試驗工況荷載效率如表2 所示。

表2 試驗工況的荷載效率

3.5 靜載試驗結果

3.5.1 應變數據分析

工況1 左側拱肋跨中最大正彎矩截面應變的校驗系數為0.74～0.87，相對殘余應變為0.00%～2.17%；工況2 右側拱肋跨中最大正彎矩截面應變的校驗系數為0.68～0.87，相對殘余應變為0.00%～7.14%；工況3 左側拱肋3/4L 跨最大正彎矩截面和左側拱肋3#臺拱腳跨最大負彎矩截面的應變校驗系數為0.69～0.90，相對殘余應變為0.00%～9.09%；工況4 右側拱肋3/4L 跨最大正彎矩截面和右側拱肋3#臺拱腳跨最大負彎矩截面的應變校驗系數為0.71～0.87，相對殘余應變為0.00%～10.53%；工況5 第31#橫梁跨中最大正彎矩截面應變校驗系數為0.77，相對殘余應變為1.53%。應變校驗系數均小于1.00，說明橋梁結構的截面強度符合設計要求。各工況卸載后的相對殘余應變為0.00%～10.53%，均小于20%，說明橋梁結構整體處于彈性變形。

3.5.2 撓度數據分析

工況1 左側拱肋跨中最大正彎矩截面撓度校驗系數為0.82～0.84，相對殘余變形為4.71%～8.67%；工況2 右側拱肋跨中最大正彎矩截面撓度校驗系數為0.74～0.83，相對殘余變形為6.54%～7.18%；工況3 左側拱肋3/4L 跨最大正彎矩截面和左側拱肋3#臺拱腳跨最大負彎矩截面撓度校驗系數為0.88～0.90，相對殘余變形為1.15%～2.15%；工況4 右側拱肋3/4L跨最大正彎矩截面和右側拱肋3#臺拱腳跨最大負彎矩截面撓度校驗系數為0.90～0.93，相對殘余變形為1.37%～1.68%；工況5 第31#橫梁跨中最大正彎矩截面撓度的校驗系數為0.72～0.97，相對殘余變形為1.89%～9.64%。撓度校驗系數均小于1.00，說明橋梁結構整體剛度符合設計要求。

卸載后相對殘余變形為1.15%～9.64%，均小于20%，說明橋梁結構整體處于彈性變形。

4 動載試驗與結果

4.1 脈動試驗與結果

脈動試驗的測點布置在橋面各跨行車道左側4 等分點處，主拱肋測點則布置在左側各跨主拱肋3L/4 跨的吊桿處，即布置在11#、26#、41#吊桿上封錨蓋上部。行車道上布置縱向加速度傳感器，吊桿處布置縱向及橫向加速度傳感器，測試橋梁結構在環境作用下的動力響應，對橋梁動力響應信號進行頻譜分析，從而測得橋跨結構自振頻率、振型和阻尼比。采用Midas Civil 分析軟件對橋梁動力進行建模計算分析，得到橋梁主拱圈1 階橫向振型及頻率，以及橋跨豎向振型與頻率。橋梁主拱圈橫向1 階計算頻率為0.78Hz，第1 跨、第2 跨和第3 跨實測1 階橫向自振頻率均為為0.98Hz；各跨豎向1 階計算頻率為1.94Hz，第1 跨、第2 跨和第3 跨實測豎向1 階頻率分別為2.05Hz、1.95Hz 和1.95Hz，實測頻率均大于計算頻率，說明橋梁結構總體剛度比理論值大，結構均質性和傳遞振動能力較好。

4.2 無障礙行車試驗與結果

無障礙行車應變測試測點布置在第31#橫梁跨中截面底面，一輛加載車分別以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h 的速度勻速行駛經過橋面，從而對橋梁結構施加動力荷載，根據測得的動應變時程曲線，計算出沖擊系數，將實測值與理論值進行對比分析，從而獲得橋梁的動力響應特性。由橋梁豎向1 階理論頻率為1.94Hz，計算所得橋梁理論沖擊系數為0.10[5]，測試截面在行車速度為10km/h、20km/h、30km/h、40km/h 時的實測沖擊系數分別為0.01、0.07、0.06 和0.01，實測最大沖擊系數為0.07＜理論沖擊系數0.10，說明橋梁結構動力性能較好。

5 結束語

根據某鋼管混凝土拱橋加固后靜載和動載試驗數據分析可知，橋梁結構的截面強度和結構整體剛度均滿足設計荷載使用要求，橋梁結構整體工作性能處于彈性狀態，動力特性響應均正常。