剛架拱橋的病害分析及承載力評(píng)定

黃洪猛，劉汝生，魏相君

（1.西北民族大學(xué)，甘肅蘭州 730124；2.濟(jì)南鐵路局設(shè)計(jì)所，山東濟(jì)南 250000）

0 前言

剛架拱橋?qū)儆谟型屏Φ母叽纬o定結(jié)構(gòu)[1]，由于其構(gòu)件少、自重輕、造型美觀、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、受力合理等特點(diǎn)，在20世紀(jì)80～90年代得到廣泛使用。但是剛架拱橋的整體性較差，橫向聯(lián)系較薄弱，近年來(lái)，隨著行車密度及車輛載重的不斷增大、橋梁自身的不斷老化、破損等原因，剛架拱橋已不能滿足現(xiàn)行運(yùn)營(yíng)荷載的要求，并且出現(xiàn)了大量病害，因此有必要對(duì)剛架拱橋的病害原因進(jìn)行分析，對(duì)承載力進(jìn)行評(píng)定，為后期加固提供技。

1 工程背景

蘭州市某剛架拱橋建于1986年，橋梁全長(zhǎng)83.3 m，橋面凈空：凈-7 m+2×0.75 m人行道。主跨上部結(jié)構(gòu)為1-40 m剛架拱橋，由3塊鋼筋混凝土拱片組成，設(shè)計(jì)凈矢高為5.0 m，矢跨比為1/8，拱片截面為矩形。每個(gè)拱片由拱腿(直線段),實(shí)腹段(底弧為二次拋物線)、弦桿、斜撐組成，拱片間用14道現(xiàn)澆橫系梁聯(lián)結(jié),各構(gòu)件預(yù)制吊裝后現(xiàn)澆混凝土接頭，拼裝預(yù)制微彎板后現(xiàn)澆鋪裝層形成現(xiàn)在的橋面。原設(shè)計(jì)荷載為汽-20，掛—100，抗震設(shè)防烈度7度，地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g。剛架拱橋的總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 剛架拱橋總體圖示

2 病害分析

2009年12月對(duì)該橋進(jìn)行詳細(xì)的表觀狀態(tài)檢測(cè)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)檢查，主要病害表現(xiàn)為：（1）橋面鋪裝出現(xiàn)大面積坑槽、積水，橋面碎石剝離；（2）伸縮縫卡塞、失效；（3）微彎板接縫開(kāi)裂、砂漿剝落、泛堿、外緣劣化，并且微彎板出現(xiàn)了橫向裂縫，有鋼筋銹蝕現(xiàn)象；（4）拱片混凝土碳化深度較大，平均大于6 mm，原設(shè)計(jì)強(qiáng)度低；（5）個(gè)別橫系梁與拱片連接處底部出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂現(xiàn)象。

造成橋梁出現(xiàn)以上病害的主要原因?yàn)椋海?）原橋面板混凝土強(qiáng)度低，配筋少，微彎板厚度不足，造成橋面鋪裝層剛度不足，重載車輛作用下導(dǎo)致橋面鋪裝破壞；（2）橋面不平整放大了車輛活載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊作用，加速了對(duì)橋梁構(gòu)件的損傷；（3）微彎板的側(cè)向水平推動(dòng)作用使橫系梁受拉導(dǎo)致開(kāi)裂，在長(zhǎng)期荷載作用下橫系梁的橫向連接功能減弱，導(dǎo)致橋梁橫向剛度降低；（4）橋面滲水導(dǎo)致微彎板開(kāi)裂、銹蝕，降低了橋梁承載力。

3 荷載試驗(yàn)[2]

為了更進(jìn)一步了解剛架拱橋是否存在隱蔽病害，結(jié)構(gòu)的整體受力性能和動(dòng)力性能是否滿足現(xiàn)行運(yùn)營(yíng)要求，2009年12月按照公路-Ⅱ荷載要求對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，測(cè)試控制截面的應(yīng)變、位移及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、動(dòng)力響應(yīng)，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)橋梁的承載能力進(jìn)行評(píng)定。

3.1 荷載試驗(yàn)方案

經(jīng)計(jì)算分析，跨中截面、大節(jié)點(diǎn)位置截面（約為L(zhǎng)/4截面）、拱腳截面為結(jié)構(gòu)的最不利位置，因此靜載試驗(yàn)只對(duì)這三個(gè)控制截面進(jìn)行最不利加載，分別測(cè)試各工況下的應(yīng)變和位移。

現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)荷載依據(jù)公路-Ⅱ設(shè)計(jì)荷載等效為4輛重車進(jìn)行加載，分別為370 kN、348 kN、369 kN、328 kN，通過(guò)調(diào)整各車的間距，使控制截面的試驗(yàn)荷載效率滿足0.95～1.05的要求[3]。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)共24個(gè)，位移測(cè)點(diǎn)共6個(gè)。跨中截面的最不利加載采用中載和偏載，大節(jié)點(diǎn)位置截面和拱腳截面最不利加載采用偏載。

為了檢驗(yàn)橋梁的動(dòng)力性能及整體性能，對(duì)剛架拱橋進(jìn)行了脈動(dòng)試驗(yàn)和跑車試驗(yàn)，測(cè)試上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及動(dòng)力響應(yīng)。其中脈動(dòng)試驗(yàn)是在上部結(jié)構(gòu)跨中布置橫、豎向加速度傳感器，測(cè)得脈動(dòng)信號(hào)，通過(guò)頻譜分析，求得結(jié)構(gòu)的自振特性；跑車試驗(yàn)是讓靜載試驗(yàn)車輛分別以20 km/h、30 km/h、40 km/h的速度勻速通過(guò)橋梁，通過(guò)在跨中布置動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，測(cè)試應(yīng)變時(shí)程曲線，從而求得在跑車下的橋梁動(dòng)力反應(yīng)。

3.2 有限元理論分析

采用橋梁結(jié)構(gòu)分析有限元軟件Midas Civil對(duì)橋梁進(jìn)行理論計(jì)算，有限元模型見(jiàn)圖2。剛架拱橋計(jì)算建立在桿系結(jié)構(gòu)的假定基礎(chǔ)上,采用彈性支承連續(xù)梁簡(jiǎn)化計(jì)算方法求解橫向分布系數(shù)[4]，以荷載橫向分布系數(shù)來(lái)考慮荷載分布，從而將空間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面問(wèn)題。

圖2 剛架拱橋有限元分析模型

3.3 測(cè)試結(jié)果分析及承載力評(píng)定

各工況試驗(yàn)荷載作用下，剛架拱控制截面測(cè)點(diǎn)的位移及應(yīng)力的計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 控制截面測(cè)點(diǎn)靜載位移分析結(jié)果

由表1可以看出，靜載試驗(yàn)荷載作用下，測(cè)點(diǎn)的位移校驗(yàn)系數(shù)均在0.29～0.97范圍之內(nèi)，均小于1.0，但某些測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)已超出撓度校驗(yàn)系數(shù)常值0.50～0.90范圍，另外個(gè)別測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變形已超出20%，說(shuō)明結(jié)構(gòu)豎向剛度已稍有不足，并且混凝土超出彈性工作狀態(tài)。

從靜載應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果來(lái)看，跨中拱頂截面實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)值較大，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.71～1.72，超出常值0.40～0.80范圍，并且大于1，說(shuō)明試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)的整體性較差，已不能滿足公路-Ⅱ設(shè)計(jì)荷載要求。

橋梁脈動(dòng)測(cè)試的豎、橫向基頻分別為3.96 Hz、1.95 Hz，其值稍高于理論計(jì)算頻率2.90 Hz、1.54 Hz，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度稍大于理論值，基本能夠滿足原設(shè)計(jì)要求。依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[5]沖擊系數(shù)1+μ=0.176 71 lnf-0.015 7=1.228，早期拱橋動(dòng)力系數(shù)取值1.12，跑車試驗(yàn)下的橋梁動(dòng)力系數(shù)最大值為1.327，實(shí)測(cè)應(yīng)變沖擊系數(shù)大于原設(shè)計(jì)值,說(shuō)明路面狀況的惡化造成的局部沖擊現(xiàn)象較為嚴(yán)重，對(duì)桿件受力帶來(lái)不利影響，車輛過(guò)橋時(shí)，橋梁振幅較大，對(duì)橋梁系統(tǒng)的連接也不利，影響橋梁的整體性能。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)剛架拱橋的病害進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并分析產(chǎn)生病害的原因，結(jié)合荷載試驗(yàn)對(duì)承載力進(jìn)行評(píng)定，得出以下結(jié)論：

（1）早期混凝土強(qiáng)度低及目前重載車輛的不斷增加是造成剛架拱橋承載力降低的主要因素。

（2）通過(guò)靜載試驗(yàn)，位移校驗(yàn)系數(shù)及應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)已超出常值范圍，并且大于1，說(shuō)明橋梁的剛度稍有不足，出現(xiàn)病害后的橋梁承載力已不能滿足現(xiàn)行運(yùn)營(yíng)要求。

（3）通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)，實(shí)測(cè)橋梁的沖擊系數(shù)已超出計(jì)算值，說(shuō)明路面狀況的惡化造成的局部沖擊現(xiàn)象較為嚴(yán)重，對(duì)桿件受力帶來(lái)不利影響；另外車輛過(guò)橋時(shí)振動(dòng)較大，對(duì)橋梁系統(tǒng)的連接也不利，影響橋梁的整體工作性能。

[1]范立礎(chǔ).橋梁工程（上、下冊(cè)）[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]諶潤(rùn)水,胡釗芳.公路橋梁荷載試驗(yàn)[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3]JTG/T J21—2011,公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[S].2011.

[4]張正權(quán).剛架拱橋的受力分析與加固[D].浙江杭州:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[5]JTG D60—2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].2004.