既有中承式鋼筋混凝土拱橋的狀態(tài)評估

刁文菊，白 嵩，羅 曦

(重慶市建設(shè)工程質(zhì)量檢驗測試中心)

拱橋在我國橋梁工程上使用廣泛且歷史悠久。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，橋梁設(shè)計、施工技術(shù)水平的顯著提高。近些年間，逐漸修建了許多跨徑較大、造型新穎的拱橋結(jié)構(gòu)。中承式鋼筋混凝土拱橋是一種新型橋梁結(jié)構(gòu)型式，得到了大力的推廣。然而，隨著使用年限的增長，以及自然因素和車輛(甚至超載)的影響，橋梁損傷種類和損傷部位越來越多，其程度越來越嚴重。

1 工程概況

楓香灣大橋位于貴州省湄潭縣湄江河楓香灣，楓香灣大橋立面布置圖見圖1。該橋為中承式鋼筋混凝土拱橋，全橋長128 m=2×8 m(鋼筋混凝土空心板)+92 m中承式鋼筋混凝土吊桿拱+2×8 m(鋼筋混凝土空心板)，主拱矢度F0=L0/4=23 m。吊桿體系由15根工字鋼組成，工字鋼型號為I25b，橋面系兩端各3根拱上立柱，鋼筋混凝土立柱尺寸為1.0 m ×0.6 m。橋面凈寬：16 m=9 m(行車道)+2×3.5 m(人行道)，該橋運營已經(jīng)超過15年，目前部分吊桿出現(xiàn)銹蝕，橫梁多處出現(xiàn)裂縫，同時，車輛通過大橋時，橋梁振動反應(yīng)明顯。

設(shè)計荷載：汽車—超20，掛車—120，人群荷載3.5 kN/m2。

圖1 橋梁立面布置圖

2 混凝土強度及碳化深度檢測

抽取拱座布置混凝土回彈測區(qū)。混凝土回彈測區(qū)均為20 cm×20 cm正方形，每個測區(qū)測試16個測點，并在每10個回彈測區(qū)中選取3個測區(qū)測試混凝土碳化深度。檢測結(jié)果詳見表1。

由上表1可以得出，主拱圈的實測混凝土強度在57.5～58.2 MPa之間，達到設(shè)計混凝土 C40強度要求，橫系梁的實測混凝土強度在56.8～57.8 MPa之間，達到設(shè)計混凝土強度C40要求，拱上立柱的實測混凝土強度為43.8 MPa，達到設(shè)計混凝土強度C30要求。

表1 混凝土強度測試結(jié)果

3 全橋有限元損傷模型的建立

楓香灣大橋為主跨92 m的等截面拱橋。根據(jù)實測值擬合其拱軸線，按懸鏈線擬合的誤差相對較小，與實測線形吻合較佳，與實測值對比如下圖2。

圖2 懸鏈線擬合拱圈線形

結(jié)構(gòu)分析中采用懸鏈線擬合的拱軸線形。結(jié)合橋梁的病害特征，考慮混凝土的收縮徐變的影響和正常運營下的溫度影響，建立結(jié)構(gòu)有限元損傷模型。

4 靜力性能分析

根據(jù)橋梁特點和計算分析結(jié)果，對橋梁的靜力性能試驗共分四個工況進行。

工況一：拱頂最大正彎矩工況(正載)。

工況二：拱頂最大正彎矩工況(上游偏載)。

工況三：L/4截面最大正彎矩工況(上游偏載)。

工況四：拱腳截面最大負彎矩工況(上游偏載)。

其測試結(jié)構(gòu)分別列于下表2、表3中。

表2 各控制截面實測應(yīng)變與計算值對比表

表3 各控制截面實測撓度與計算值對比表

由以上量表可以看出：拱頂截面在各工況中實測混凝土應(yīng)力值均低于理論計算值，應(yīng)力校驗系數(shù)在0.41～0.56之間，撓度校驗系數(shù)在在0.29～0.41之間，L/4截面在各工況中實測混凝土應(yīng)力值均低于理論計算值，應(yīng)力校驗系數(shù)在0.54 ～0.67 之間，撓度校驗系數(shù)在在0.3 ～0.31 之間，拱腳截面在各工況中實測混凝土應(yīng)力值均低于理論計算值，應(yīng)力校驗系數(shù)在0.63～0.68之間。結(jié)構(gòu)強度和剛度滿足設(shè)計及相關(guān)規(guī)范要求，卸載后相對殘余應(yīng)變及撓度小于0.2表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，加載過程中測試截面未出現(xiàn)開裂。拱肋結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，抗彎剛度達到設(shè)計要求，并有一定的安全儲備。

5 動力性能分析

利用橋梁有限元分析程序?qū)飨銥炒髽蜻M行動力特性分析，求解其前三階自振頻率、振型，通過與實測結(jié)果比較，對結(jié)構(gòu)整體縱向、橫向剛度及穩(wěn)定性進行綜合分析。

通過對自然激勵響應(yīng)測得數(shù)據(jù)的模態(tài)辨識，得到模態(tài)基頻和阻尼比，結(jié)果如表4。

表4 模態(tài)參數(shù)實測值及計算值

用重320 kN的試驗車分別以10 km/h，20 km/h，30 km/h，40 km/h的速度通過橋梁指定橋跨做跑車試驗，橋跨在L/4、L/2處豎向振動時域、頻域響應(yīng)值匯于下表5。

表5 控制截面豎向振動時域、頻域響應(yīng)值匯總表

通過以上兩表表分析可得：橋梁脈動試驗一階頻率為2.15 Hz，對不同速度跑車響應(yīng)進行頻譜分析得到主要頻率成份為2.39 Hz，由兩種不同動載試驗所得頻率綜合分析，得出橋梁一階自振頻率實測值為2.39 Hz，跑車試驗引起的L/4、L/2處最大振幅分別為1.80 mm和1.7 mm。實測值稍大于理論計算值，結(jié)合靜力性能分析可判定，結(jié)構(gòu)剛度仍然處在較好的狀態(tài)。

6 結(jié)論

通過以上對楓香灣大橋靜力性能和動力性能的分析可知該橋的整體承載力和工作性能目前能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。但該橋的主梁與橫系梁連接處發(fā)現(xiàn)有裂縫存在，減小了橋梁結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性，為橋梁的正常使用埋下了隱患。應(yīng)采取積極的措施予以治理，以消除安全隱患。通過對該橋的結(jié)構(gòu)計算和試驗數(shù)據(jù)分析，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的工作性能給予正確的評價，對橋梁的可靠性進行鑒定，不僅對該橋，而且對同類現(xiàn)有橋梁的正常使用、維護和加固改造均具有一定參考價值。

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［1］范立礎(chǔ).橋梁工程(上、下冊)［M］.人民交通出版社，2001.

［2］汪斌，陳志忠，蔡敏.混凝土拱橋靜載試驗及仿真分析［J］.工程與建設(shè)，2006，20(3)：181-183.

［3］杜國華.橋梁結(jié)構(gòu)分析［M］.同濟大學(xué)出版社，1994.

［4］李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動［M］.北京：中國鐵道出版社，1992.