剛度增大法加固鋼管混凝土組合拱橋的影響

陳 勇

(福建省交通建設(shè)工程試驗檢測有限公司，福建 福州 350008)

0 引言

鋼管混凝土(CFST)拱橋作為一種性能優(yōu)越的鋼混組合結(jié)構(gòu)，兼具跨徑超大、建造便捷、強(qiáng)度超高及外型美觀等優(yōu)點，自1990年國內(nèi)首座CFST拱橋建成以來逐步被廣泛應(yīng)用。現(xiàn)役CFST拱橋由于早期設(shè)計施工方面的缺陷、現(xiàn)代交通運輸量的不斷增加、日常維護(hù)保養(yǎng)不到位及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不統(tǒng)一等原因，經(jīng)過多年服役后部分開始出現(xiàn)不同程度的病害，存在一定的安全隱患。對這些舊CFST拱橋采取拆除重建措施必將消耗大量的人力物力，且從經(jīng)濟(jì)方面考慮也不可行，因此服役期間舊CFST拱橋出現(xiàn)的靜動力病害部位通過維修方式進(jìn)行處理或通過加固方式進(jìn)行補強(qiáng)成為迫在眉睫的問題。

目前國內(nèi)已對CFST拱橋靜力特性方面開展了大量研究，但動力特性方面研究明顯偏少[1]，再加上加固理論和技術(shù)研究仍不成熟，處于起步階段，相關(guān)規(guī)范也僅涉及靜力特性方面加固。CFST拱橋的加固方法主要有拱圈增強(qiáng)加固法[2]、纖維復(fù)合材料粘貼加固法[3]、吊桿替換或增設(shè)加固法[4]、橋面系改善加固法和剛度增大加固法[5]等，以往這些加固法應(yīng)用實例大多僅針對靜力特性方面很少涉及動力特性方面，因此涉及CFST拱橋動力特性方面的加固影響研究更是少之又少。

1 中承式CFST組合拱橋剛度增大法加固10年后荷載試驗

1.1 工程概況

某中承式CFST組合拱橋全長176 m，跨徑布置為35 m+76 m+35 m，寬28.40 m。上部結(jié)構(gòu)中拱為中承式CFST肋拱，凈矢高19 m：凈跨徑76 m等于1/4，CFST橫撐，φ5 mm高強(qiáng)鋼絲吊桿，普通鋼筋混凝土工字橫梁，裝配式鋼筋混凝土簡支橋面板；邊拱為普通鋼筋混凝土板拱，凈矢高7 m：凈跨徑35 m等于1/5，厚80 cm。下部結(jié)構(gòu)采用沖鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、石-鋼筋混凝土組合橋臺。該拱橋總體布置圖見圖1。

該拱橋建于1995年，服役12年后曾進(jìn)行全面檢查、荷載試驗，結(jié)果表明：上部結(jié)構(gòu)承載能力基本滿足原設(shè)計城-A級荷載要求，但部分構(gòu)件存在不同程度的病害，影響其正常使用及耐久性能；由實測動應(yīng)變計算的沖擊系數(shù)超過規(guī)范要求。2011年對該拱橋病害部位進(jìn)行維修處理，并增設(shè)加勁鋼縱梁(45a)進(jìn)行加固。本次對剛度增大法加固10年后的中承式CFST組合拱橋進(jìn)行荷載試驗。

1.2 靜力特性試驗

1.2.1 試驗荷載

本次選取邊拱(Ⅰ跨)和中拱(Ⅱ跨)進(jìn)行加固10年后靜力特性試驗，鑒于原設(shè)計荷載及加固前試驗荷載均為城-A級，加固后試驗荷載也確定為城-A級，現(xiàn)場加載所需載重汽車為4部45 t,1部25 t，共6個試驗工況，工況一～工況六對應(yīng)的測試位置、測試項目及試驗效率見表1。

表1 工況一～工況六對應(yīng)測試位置、測試項目及試驗效率一覽表

1.2.2 試驗主要測試項目及位置

由表1可知，位移測試主要包括4個截面，分別為Ⅰ跨1/4跨、Ⅰ跨跨中、Ⅱ跨1/4跨和Ⅱ跨跨中，如圖1中的Ⅰ跨B截面、C截面處板拱底從左到右各布置3個測點(NB1～NB3,NC1～NC3)、Ⅱ跨E截面、F截面處每根肋拱底各布置1個測點(NE1～NE3,NF1～NF3)；應(yīng)變測試主要包括6個截面，分別為Ⅰ跨支座、Ⅰ跨1/4跨、Ⅰ跨 跨中、Ⅱ跨支座、Ⅱ跨1/4跨和Ⅱ跨跨中，如圖1中的Ⅰ跨(A～C)截面處板拱底從左到右各布置5個測點(A1～A5,B1～B5,C1～C5)、Ⅱ跨(D～F)截面處從左到右每根肋拱頂?shù)追謩e布置1個測點(D1～D6,E1～E6,F1～F6)；索力測試主要包括Ⅱ跨中間三根吊桿即第6根～第8根吊桿(DG1～DG3)；裂縫測試主要在加載過程中監(jiān)測Ⅰ跨C截面處板拱底中部1個跨裂縫應(yīng)變測點(C6)應(yīng)變變化數(shù)值。

1.2.3 試驗結(jié)果分析

1)位移測試結(jié)果。

表2工況一、三、四、六中拱及邊拱位移測試結(jié)果表明：位移實測值均小于理論值，相應(yīng)的相對殘余均小于規(guī)范[7]限值。

表2 工況一、三、四、六中拱及邊拱位移測試結(jié)果匯總表

2)應(yīng)變測試結(jié)果。

表3工況一～工況六中拱及邊拱應(yīng)變測試結(jié)果表明：應(yīng)變實測值的絕對值均小于理論值的絕對值，相應(yīng)的相對殘余均小于規(guī)范限值。

表3 工況一～工況六中拱及邊拱應(yīng)變測試結(jié)果匯總表

3)索力測試結(jié)果。

表4工況一索力增量測試結(jié)果表明：所測3根吊桿索力增量變化實測值均小于理論值，相應(yīng)的相對殘余均小于規(guī)范限值。

表4 工況一索力增量測試結(jié)果匯總表

4)裂縫測試結(jié)果。

表5工況四～工況六裂縫測試結(jié)果表明：監(jiān)測的裂縫有輕微變大，卸載后能基本恢復(fù)，未發(fā)現(xiàn)新增裂縫。

表5 工況四～工況六裂縫測試結(jié)果匯總表

1.3 動力特性試驗

由實測Ⅱ跨F截面處測點(DH4)最大、最小動應(yīng)變測試結(jié)果可計算得到?jīng)_擊系數(shù)，表6沖擊系數(shù)測試結(jié)果表明：由實測動應(yīng)變計算的沖擊系數(shù)最大值小于理論值。

表6 沖擊系數(shù)μ結(jié)果匯總表

2 中承式CFST組合拱橋剛度增大法加固前后有限元自振特性分析

2.1 有限元模型

采用軟件Midas/Civil建立中承式CFST組合拱橋空間有限元模型，其中單元、節(jié)點數(shù)量分別為3 955個、2 080個，邊界條件(各拱腳處)為固結(jié)，詳見圖2。模型模擬選用三種單元即空間板單元(橋面板及鋪裝層)、受拉桿單元(吊桿)、空間梁單元(其余構(gòu)件)；以鋼管與混凝土共用節(jié)點模擬CFST截面。拱橋混凝土強(qiáng)度均為C40，普通鋼筋采用HRB400，高強(qiáng)鋼絲采用fpk=1 670 MPa，鋼材采用Q345D。

2.2 剛度增大法加固前后有限元自振特性分析

根據(jù)有限元計算結(jié)果，表7列出了該拱橋剛度增大法加固前后的前十階自振頻率，圖3～圖8為剛度增大法加固前后的前三階振型圖。

表7 加固前后拱橋的前十階自振頻率

2.3 增設(shè)加勁鋼縱梁截面變化對中承式CFST組合拱橋自振特性的影響

本文有限元計算比較了增設(shè)不同截面的加勁鋼縱梁對中承式CFST組合拱橋自振頻率的影響。表8列出了36a～56a共五種截面(其中45a為該拱橋加固所采用加勁鋼縱梁截面)對應(yīng)的拱橋首階自振頻率。可以看出，增設(shè)加勁鋼縱梁截面變化對拱橋的首階自振頻率幾乎沒有影響。

表8 增設(shè)不同截面加勁鋼縱梁拱橋首階自振頻率

2.4 分析與討論

從以上的荷載試驗及有限元分析可以看出：

1)由加固10年后的荷載試驗結(jié)果可得，剛度增大法加固后各工況中拱及邊拱位移、應(yīng)變和吊桿索力實測值均小于理論值，相應(yīng)的相對殘余均小于規(guī)范[7]限值；加載過程所監(jiān)測的裂縫雖有輕微變化，但卸載后能基本恢復(fù)，且未發(fā)現(xiàn)新增裂縫；由實測動應(yīng)變計算的沖擊系數(shù)最大值小于理論值。

2)由加固前后有限元自振特性分析結(jié)果比較可得，剛度增大法加固前后的自振特性前十階振型中僅首階、第四階為平面內(nèi)振動，其余均為平面外振動；剛度增大法加固后的自振頻率比加固前有較大提高(約20%以上)，而增設(shè)加勁鋼縱梁截面由36a逐步變化到56a，相應(yīng)的自振頻率僅由2.10 Hz變化到2.11 Hz，幾乎沒有影響。

3 結(jié)論

1)已服役27年的中承式CFST組合拱橋服役期間發(fā)現(xiàn)存在病害，經(jīng)加固維修后該拱橋靜動力特性總體水平仍能達(dá)到原設(shè)計狀態(tài)，因此針對服役期間舊橋出現(xiàn)的靜動力病害部位可通過維修方式進(jìn)行處理或通過加固方式進(jìn)行補強(qiáng)，沒有必要拆除重建。

2)中承式CFST組合拱橋加固前由實測動應(yīng)變計算的沖擊系數(shù)較大超過規(guī)范要求，針對此問題采用剛度增大法加固，加固后由實測動應(yīng)變計算的沖擊系數(shù)減小滿足規(guī)范要求，表明采用剛度增大法加固提高該類拱橋的動力特性可行。

3)中承式CFST組合拱橋加固前后的自振特性前十階振型以面外振動為主；剛度增大法加固后的自振頻率比加固前有較大提高(約20%以上)，而增設(shè)加勁鋼縱梁截面變化對拱橋自振頻率影響很小。