三角式桁架拱橋技術狀況及承載力評定

張毅

摘要 對于三角式桁架拱橋，通過技術狀況評定與荷載試驗相結合的方法確定橋梁承載能力。通過測量混凝土強度、混凝土碳化、混凝土鋼筋銹蝕電位、混凝土鋼筋保護層厚度、外觀缺陷，利用軟件計算對作用效應與抗力效應進行比較；再通過荷載試驗判定橋梁是否滿足現行規范及技術要求。結果表明，靜撓度及靜應變部分校驗系數超過相關規范規定值，說明結構強度不滿足設計要求；結合技術狀況評定為三類以及荷載試驗結論，綜合評定該橋承載能力不滿足設計等級的要求。

關鍵詞 技術狀況評定；承載力評定；材質狀況；荷載試驗

中圖分類號 U445.72文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0108-03

0 引言

橋梁承載力評定是對橋梁在規劃使用期限內的使用功能和承載能力作出的評價。承載能力評定主要通過荷載試驗對橋梁整體承載力進行測試，通過靜載試驗、動載試驗結合模型的計算對橋梁承載力作出評價，其內容應包括安全性、耐久性和適用性三個方面。該文通過某三角式桁架拱橋技術狀況以及承載力的評定，取得橋梁結構參數、檢測數據，為橋梁使用功能、使用價值和結構承載力的綜合評定提供基礎數據。

1 概述

1.1 依托工程概況

某三角形式桁架拱橋是某國道的重要交通橋梁，是過境大型載重車輛通過的重要線路，其對地方經濟發展以及過境車輛繞行起著至關重要的作用。該橋建成于2003年，由于常年超重車輛通行導致病害較多，于2014年進行了維修加固。該橋全長103.32 m，上部結構為1～70 m的混凝土桁架拱，拱軸線為二次拋物線，橋梁采用1/6的矢跨比，采用轉體法施工；橋寬為12.50 m，形式為1.75 m（人行道）+9.00 m（行車道）+1.75 m（人行道），橋面設置雙面2%橫坡；下部結構橋臺為重力式臺，采用C15片石混凝土砌筑，基礎為兩臺階的擴大基礎，拱腳采用鋼筋混凝土樁柱式基礎；設計荷載等級為汽車-20、掛車-100，設計洪水頻率為1/100[1]。

1.2 該桁架拱橋現狀

該橋外觀缺陷如表1所示。

1.3 技術狀況評定結果

該橋技術狀況評定情況如表2所示。

2 橋梁缺損材質狀況檢查

2.1 橋梁材質強度檢測評定

該橋材質狀況評定標度匯總如表3所示。

2.2 橋梁結構自振頻率檢測評定

該橋自振頻率評定結果如表4所示。

3 荷載試驗

3.1 靜態測點

靜態應變測點布置：1#截面為拱頂（L/2處）截面，2#截面為拱腳截面，共布置2個應變測試截面；靜態撓度測點布置：1#截面為拱頂（L/2處）截面，布置1個撓度測試截面。

3.2 動態測點

（1）沖擊系數。根據規范計算該橋沖擊系數：μ=0.176 7lnf?0.015 7=0.171。

（2）基頻。在1#截面處布設2個動應變測點，1#截面處橋面上布設2個豎向振動測點。通過Midas Fea3.6計算分析，該橋的基頻為2.87 Hz。

3.3 試驗工況及加載方案

該橋采用橋梁通用分析程序Midas Civil建立橋梁計算模型。其中，桁架、橫梁、上弦桿、腹桿及剪刀撐均采用梁單元模擬，橋面板則采用板單元模擬，理論計算采用有限元模型[4]。

按《公路橋涵設計通用規范》，車輛雙向行駛時應按2車道布載對移動荷載加載分析，以最不利彎矩控制設計[5]。該橋靜載試驗分為四個試驗工況，每種工況分四級進行偏載、中載加載，各工況均采用兩列車隊加載。工況1：三車輛橫向加載位置如圖1所示；工況2：四車輛橫向加載位置距人行道2.05 m起算，其他位置如圖1所示。工況1、工況2對應的1#截面（拱頂截面）測試，1#截面各測點應變及1#截面的撓度加載位置，縱向布載在距拱腳35 m位置和30.5 m位置，如圖2所示。工況3、工況4：對應的2#截面（拱頂截面）測試，2#截面各測點應變加載位置從伸縮縫位置起算16.5 m和21.5 m位置。

4 橋梁承載力評定

4.1 靜載試驗數據分析

4.1.1 結構撓度-變形

（1）工況1荷載作用下，所有撓度測點實測撓度值大于理論撓度值，平均校驗系數為1.207；工況2荷載作用下，1-2#拱肋測點實測撓度值大于理論撓度值，平均校驗系數為1.024，說明橋梁剛度不滿足要求。

（2）工況1荷載作用下，相對殘余撓度最大值為18.9%，平均值為15.9%；工況2荷載作用下，相對殘余撓度最大值為11.5%，平均值為10.3%，符合橋梁結構處于彈性工作狀態時相對殘余撓度不大于20%的規定。

4.1.2 結構應力-應變特性

（1）工況1偏載荷載作用下，拱頂截面共有6個測點應變校驗系數大于1，校驗系數最大值為1.867，平均值為0.910；工況2中載作用下，拱頂截面共有5個測點應變校驗系數大于1，校驗系數最大值為2.158，平均值為1.012。

（2）工況3偏載荷載作用下，拱腳截面共有4個測點應變校驗系數大于1，校驗系數最大值為1.333，平均值為0.604；工況4中載作用下，拱腳截面共有4個測點應變校驗系數大于1，校驗系數最大值為1.750，平均值為0.671。

4.2 動載試驗數據分析

沖擊系數測試結果如表5所示，動應變所測試得出的沖擊系數平均值為0.048，小于理論值0.171，說明該橋整體在正常工作狀態下的動力性能良好。

4.3 自振頻率

從自振頻率實測值和計算值的對比、頻域分析曲線可以看出：

①振動曲線符合連續梁的振動方式。②振動加速度時域曲線合理。③從環境激勵法測試頻域分析曲線，可以得出實測頻率為3.56 Hz，大于理論計算值2.87 Hz，說明橋梁結構動力性能滿足要求[6]。

4.4 承載力評定結果

4.4.1 基本幾何尺寸

經測量，該鋼筋混凝土桁架工橋梁總長度、橋面寬度、橋梁跨徑組合、主要構件幾何尺寸與設計基本一致。

4.4.2 橋面線形及拱軸線

橋面線形：左車道、中線、右車道橋面線形基本一致，數據吻合。橋面線形總體圓滑，無明顯折線、突變。

拱軸線：各個測點擬合得到的1-1#、1-2#拱肋拱軸曲線圓滑、無折線、無突變、拱軸線正常。

4.4.3 材質強度檢測評定

對該橋1-1#拱片、1-2#拱片、左側1-1#斜撐、右側1-1#斜撐進行回彈強度測定，依據混凝土橋梁結構或構件實測強度最小值或測區平均換算強度推定值最小為35.7 MPa，大于設計值30 MPa，確定混凝土強度的評定標度為1。

4.4.4 混凝土鋼筋銹蝕電位檢測評定

混凝土中鋼筋銹蝕電位采用半電池電位法，電極采用硫酸銅電位電極，在每個測區布置20個測點。并根據混凝土中鋼筋發生銹蝕的概率和銹蝕活動性，按照銹蝕區銹蝕電位最低值進行評定。然后，根據混凝土中鋼筋發生銹蝕的概率和銹蝕活動性，對該橋1-1#拱片、1-2#拱片、左側1-1#斜撐、右側1-1#斜撐位置進行鋼筋銹蝕電位檢測，按照銹蝕區銹蝕電位的最低值評定標度為2。

4.4.5 碳化狀況檢測評定

混凝土碳化深度的方法如下：

（1）回彈值測量完畢后，在有代表性的位置上測量碳化深度值，測點數不少于構件測區數的30%。取所有碳化深度測點測值的平均值，作為該構件每測區的碳化深度值。

（2）當各個碳化深度測點的碳化深度測值的差值大于2.0 mm時，可能表示該構件混凝土強度不均勻，因此應對每一回測區均進行碳化深度的測量。

根據以上原則對1-1#拱肋、1-2#拱肋進行碳化深度檢測，依據測區混凝土碳化深度平均值與實測混凝土保護層厚度平均值的比值，混凝土碳化評定標度為2。

4.4.6 鋼筋保護層厚度檢測評定

用電磁感應法測試鋼筋位置，對已進行過混凝土碳化深度專門測量的部位或者鋼筋銹蝕電位測試結果表明鋼筋可能銹蝕活化的部位進行檢測。根據檢測構件或部位的鋼筋保護層厚度特征值與設計值的比值，對1-1#拱肋測定值為0.81的評定標度為3，對1-2#拱肋測定值為0.18的評定標度為5，取其中的最小值，故確定鋼筋保護層厚度評定標度為5，鋼筋易失去堿性保護、發生銹蝕。

4.4.7 結構自振頻率檢測評定

采用環境激勵法對該橋自振頻率進行測試。在橋面安置高靈敏的速度傳感器，通過測定由風荷載、地脈動等隨機激勵引起的橋梁微幅振動，識別結構的自振特性，對采集的長樣本信號進行能量平均以便消除隨機因素影響。一般檢測時間在25 min以上才能消除隨機影響，避免不需要的能量信號干擾最終結果。

該橋上部結構理論計算自振頻率為2.87 Hz，現場實測自振頻率為3.56 Hz，橋梁自振頻率評定標度為1。

5 結論

近年大量的桁架拱橋出現了不同程度的病害，由于產生原因的復雜性導致表現形式多種多樣。該文研究案例在加固后運行十年，又出現以下病害：該橋斜撐環向裂縫；橋面板混凝土破損、露筋、水蝕等病害主要位于護欄底面挑梁部位，未更換部分橋面板；橫梁、挑梁混凝土剝落、露筋、鋼筋保護層厚度不足，維修加固施工時，由于碰撞等導致混凝土破損、露筋。

技術狀況以及無損檢測表明，該橋主要受力構件如拱肋鋼筋，銹蝕電位檢測顯示有銹蝕活動性，但銹蝕狀態不確定，可能銹蝕；且有輕微碳化現象，鋼筋易失去堿性保護，發生銹蝕，且粘貼鋼板也受滲水侵蝕影響。

荷載試驗表明，該橋加固后運行十年橋梁結構強度不滿足設計要求，橋梁安全儲備不足。結合技術狀況評定為3類以及荷載試驗結論，綜合評定該橋承載能力不滿足公路Ⅱ級要求，建議對過往車輛采取限載限速通行措施，對該橋進行加固或改造。

參考文獻

[1]王瑞達， 周敏. 大跨度鋼筋混凝土桁架拱橋加固實例及加固效果分析[J]. 青海交通科技， 2017（2）： 96-100+107.

[2]公路橋梁技術狀況評定標準： JTG/T H21—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[3]公路橋梁承載能力檢測評定規程： JTG/T J21—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[4]許智星. 某鋼筋混凝土桁架拱橋檢測加固及荷載試驗[J]. 福建交通科技， 2021（4）： 74-77.

[5]公路橋涵設計通用規范： JTG D60—2015[S]. 北京：人民交通出版社， 2015.

[6]公路橋梁荷載試驗規程： JTG/T J21-01—2015[S]. 北京：人民交通出版社， 2015.