鐘輝武

（1.廣東盛翔交通工程檢測(cè)有限公司，廣東廣州511400；2.廣東和立土木工程有限公司，廣東廣州511400）

0 引言

剛架拱橋具有桿件少、自重輕、施工簡(jiǎn)便、材料省、造價(jià)低、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)役橋梁中仍大量存在，不過剛架拱橋由于整體性較差，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂、損傷等病害，大部分剛架拱橋需進(jìn)行維修或加固。但是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及交通流量增長(zhǎng)，該類型的橋梁在加固運(yùn)營多年后，其承載能力是否下降，能否滿足原加固設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要進(jìn)行評(píng)估[1]。以某鋼筋混凝土剛架拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過荷載試驗(yàn)評(píng)定該橋，在加固且運(yùn)營多年后的承載能力是否滿足原加固設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)評(píng)價(jià)加固效果是否良好[2]。

1 工程概況

博羅大橋位于羅陽鎮(zhèn)，跨越東江，1999年建成。橋梁全長(zhǎng)1083.26m，引橋橋面全寬為23m，主橋橋面全寬25.4m。該橋上部結(jié)構(gòu)橋跨組合為16m+2×45m+2×80m+16×45m+6m，其中主橋上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土等截面中承式吊桿拱；引橋上部結(jié)構(gòu)為單跨跨徑45m（墩中距47.5m），矢跨比為1/8 的變截面實(shí)心矩形鋼筋混凝土剛架拱、16m 跨徑的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T 梁和6m 跨徑的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支肋梁。主橋橋墩采用鋼筋混凝土空心墩、沉井基礎(chǔ)，其余墩采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為：汽車-20 級(jí)，掛車-100，人群3.5kN/m2。該橋于2010年對(duì)6～9#跨主拱肋、弦桿采用10mm 厚度的鋼板加固，橫系梁采用8mm 厚度的鋼板加固，主拱腳、斜腿采用增大截面外包15cm 厚的鋼筋混凝土加固。

2 靜載試驗(yàn)

2.1 測(cè)試橋跨與控制截面

為評(píng)定剛架拱橋的承載能力，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，選取該橋6#跨作為試驗(yàn)橋跨，應(yīng)力控制截面設(shè)4 個(gè)（A、B、C、D 截面，），撓度控制截面設(shè)1 個(gè)（A截面）。測(cè)試控制截面如圖1所示，截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖如圖2～5所示。

圖1 測(cè)試控制截面（單位：cm）

圖2 A 截面撓度、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

圖3 B 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

圖4 C 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

圖5 D 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

2.2 靜載試驗(yàn)工況及加載效率

根據(jù)該橋竣工及加固設(shè)計(jì)圖紙，本次荷載試驗(yàn)以汽車-20 級(jí)，掛車-100 作為橋梁控制荷載，其中汽車荷載按規(guī)范計(jì)入沖擊效應(yīng)。采用MIDAS/Civil 通用有限元軟件建立剛架拱橋全橋空間有限元模型（連拱空間有限元模型，見圖6），并考慮連拱效應(yīng)，模型共劃分為9116 個(gè)節(jié)點(diǎn)和9687 個(gè)空間梁?jiǎn)卧?776 個(gè)板單元，采用該模型進(jìn)行設(shè)計(jì)荷載及試驗(yàn)荷載內(nèi)力、試驗(yàn)荷載反應(yīng)和自振特性的分析計(jì)算[3]。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）規(guī)定：靜力荷載試驗(yàn)效率宜介于0.95～1.05 之間。靜載試驗(yàn)荷載效率如表1所示。車輛布載示意圖如圖7～10所示。

表1 靜載試驗(yàn)荷載效率

圖6 連拱空間有限元模型

圖7 工況一車輛布載示意圖（單位：cm）

圖8 工況二車輛布載示意圖（單位：cm）

圖9 工況三車輛布載示意圖（單位：cm）

圖10 工況四車輛布載示意圖（單位：cm）

2.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

各控制截面在試驗(yàn)工況下，主要控制測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值均小于理論計(jì)算值，主要控制測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.06～0.98，卸載后相對(duì)殘余變形均小于20%，測(cè)試結(jié)果規(guī)律正常，表明所測(cè)橋跨強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；拱頂截面在試驗(yàn)工況下，測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度均小于理論計(jì)算值，各撓度測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)為0.59～0.96，所測(cè)橋跨剛度滿足設(shè)計(jì)要求。卸載后相對(duì)殘余變形均小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論值對(duì)比分析，見圖11～20所示。

圖11 工況一拱頂A 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（中載）彈性應(yīng)變值與計(jì)算值對(duì)比圖

圖12 工況一拱頂A 截面（中載）撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比圖

圖13 工況二拱頂A 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（偏載）彈性應(yīng)變值與計(jì)算值對(duì)比圖

圖14 工況二拱頂A 截面（偏載）撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比圖

圖15 工況三拱腳最大負(fù)彎矩B 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（中載）彈性應(yīng)變值與計(jì)算值對(duì)比圖

圖16 工況四拱腳最大負(fù)彎矩B 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（偏載）彈性應(yīng)變值與計(jì)算值對(duì)比圖

圖17 工況三斜腿根部最大負(fù)彎矩C 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（中載）彈性應(yīng)變值與計(jì)算值對(duì)比圖

圖18 工況四斜腿根部最大負(fù)彎矩C 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（偏載）彈性應(yīng)變值與計(jì)算值對(duì)比圖

圖19 工況三L/4 截面最大正彎矩D 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（中載）彈性應(yīng)變值與計(jì)算值對(duì)比圖

圖20 工況四L/4 截面最大正彎矩D 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（偏載）彈性應(yīng)變值與計(jì)算值對(duì)比圖

3 動(dòng)載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置及試驗(yàn)工況

環(huán)境隨機(jī)激振法試驗(yàn)：測(cè)試點(diǎn)布置在6#跨1/4L、2/4L、3/4L 的橋面；無障礙行車試驗(yàn)：測(cè)試截面布置在6#跨跨中截面，在4#拱肋布置2 個(gè)動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)工況采用4 種車速（20～50km/h）跑車進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 自振頻率測(cè)試

采用低頻高靈敏振動(dòng)傳感器測(cè)定主拱圈自振及脈動(dòng)信號(hào)，通過頻譜分析得到拱肋結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率，阻尼比根據(jù)自振信號(hào)的衰減特性計(jì)算得到。實(shí)測(cè)6#跨豎向一階頻率2.148Hz 略大于理論計(jì)算頻率2.002Hz，表明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論計(jì)算剛度，與靜載試驗(yàn)撓度檢測(cè)結(jié)果相符，自振頻率測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 自振頻率測(cè)試結(jié)果

3.2.2 沖擊系數(shù)計(jì)算

橋梁沖擊系數(shù)采用動(dòng)應(yīng)變和動(dòng)撓度的時(shí)程曲線計(jì)算。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，采用動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線計(jì)算橋梁沖擊系數(shù)，實(shí)測(cè)20～50km/h 跑車試驗(yàn)下，6#跨4#肋的沖擊系數(shù)，分別為0.041～0.103，并與車速有十分明顯的相關(guān)性，在時(shí)速（20～40km/h）沖擊系數(shù)大于規(guī)范計(jì)算值（0.10），50km/h 的沖擊系數(shù)基本與規(guī)范計(jì)算值相符合[4]，跑車試驗(yàn)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)，如表3所示；沖擊系數(shù)隨車速變化曲線，見圖21。

表3 跑車試驗(yàn)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)

圖21 沖擊系數(shù)隨車速變化曲線

4 結(jié)論

一是靜載試驗(yàn)控制截面在試驗(yàn)工況下主要控制測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值均小于理論計(jì)算值，主要控制測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)、卸載后相對(duì)殘余變形均滿足規(guī)范要求，表明所測(cè)橋跨強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；

二是拱頂截面在試驗(yàn)工況下主要測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度均小于理論計(jì)算值，各撓度測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)、卸載后相對(duì)殘余變形均滿足規(guī)范要求，表明所測(cè)橋跨剛度滿足設(shè)計(jì)要求；

三是豎向一階頻率2.148Hz 略大于理論計(jì)算頻率2.002Hz，表明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論計(jì)算剛度，與靜載試驗(yàn)撓度檢測(cè)結(jié)果相符。

分析結(jié)果表明：經(jīng)加固運(yùn)營多年后的某剛架拱橋承載能力滿足原加固設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)，原采取的拱腳、斜腿增大截面、拱肋粘貼鋼板加固效果良好。