鋼筋混凝土上承式拱橋加固前后動(dòng)力性能測(cè)試分析

李 紅

（中鐵二十一局集團(tuán)第二工程有限公司，甘肅 蘭州730050）

0 引言

橋梁的自振特性和在豎向動(dòng)荷載（車輛移動(dòng)與沖擊）下的激振響應(yīng)是評(píng)價(jià)橋梁承載能力狀態(tài)的一個(gè)重要因素。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析主要研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載（如行駛車輛、風(fēng)、地震荷載）作用下的力學(xué)行為，其內(nèi)容主要包括確定結(jié)構(gòu)的自振特性以及動(dòng)力激勵(lì)源作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。其中自振特性是動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性反映了結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)，它與結(jié)構(gòu)的材料、構(gòu)造、連接狀況、約束條件、結(jié)構(gòu)尺寸等因素密切相關(guān)；橋梁的強(qiáng)迫振動(dòng)行為能綜合反映其自身的動(dòng)力特性、車輛及其運(yùn)動(dòng)特性、橋面鋪裝的平整狀況等因素。

通過(guò)檢測(cè)橋梁的自由振動(dòng)特性及在豎向動(dòng)荷載（車輛移動(dòng)與沖擊）作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)反應(yīng)來(lái)評(píng)價(jià)橋梁的動(dòng)力性態(tài)。

1 工程概況

扎曲河上承式鋼筋混凝土拱橋位于青海省玉樹州雜多縣城內(nèi)，聯(lián)系雜多縣城扎曲河兩岸。由于缺乏相應(yīng)設(shè)計(jì)及施工資料，根據(jù)相關(guān)走訪了解，該橋修建年代為上世紀(jì)70年代。該橋主結(jié)構(gòu)為3×35米上承式鋼筋混凝土拱橋，橋面連續(xù)，截面由4幅矩形拱肋組成，下部結(jié)構(gòu)采用重力式墩臺(tái)，應(yīng)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。2014年對(duì)該橋進(jìn)行了維修加固。原技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：橋梁寬度：全寬0.5（護(hù)欄）+凈6.0m+0.5（護(hù)欄），設(shè)計(jì)荷載：汽—15，驗(yàn)算荷載：拖—60。加固設(shè)計(jì)荷載：汽-15，掛-80。

2 橋梁加固強(qiáng)病害

2.1 欄桿部分

全橋欄桿為預(yù)制混凝土柱式欄桿，多處明顯破壞損傷，多處欄桿已經(jīng)缺失。欄桿基座及人行道裂縫發(fā)育。

2.2 橋面部分

橋面鋪裝破損較為嚴(yán)重，鋪裝層混凝土存在掉塊、裂縫發(fā)育。橋面排水孔破損或者堵塞，失去排水功能；橋面存在嚴(yán)重積水。

2.3 結(jié)構(gòu)部分

橋面板存在不同程度的裂縫，同時(shí)橋面防水層存在破損；拱肋存在不同程度的裂縫及缺損；拱肋及拱腳處已出現(xiàn)多條裂縫。

3 加固改造措施

3.1 橋面系改造：拆除原橋面系，重新設(shè)置防水層及伸縮縫、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、澆筑防水混凝土；人行道拆除重建，同時(shí)重新設(shè)置排水孔；拆除原裝配式混凝土欄桿，更換為輕便式鋼結(jié)構(gòu)欄桿；橋頭增設(shè)限高、限寬標(biāo)志。

3.2 橋面板加固：先處理橋面板裂縫、破損等混凝土缺陷，然后在底部粘貼一層碳纖維布。

3.3 立柱加固：在1#、2#立柱間增加鋼結(jié)構(gòu)剪刀撐，以增強(qiáng)梁體豎向剛度。鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝防護(hù)。

3.4 拱圈加固：先將拱圈的裝飾凹槽用混凝土填平，在拱肋下緣粘貼6mm鋼板。鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝防護(hù)。

3.5 橋臺(tái)錐坡加固：待橋臺(tái)錐坡上垃圾以及覆蓋橋臺(tái)基礎(chǔ)的土體清理完畢后，測(cè)量觀察基礎(chǔ)位移狀況?？h城方向橋臺(tái)漿砌片石完全裸漏后，用M15砂漿修復(fù)破損的護(hù)坡；其他部位采用注漿方式處理漿砌塊石下的空洞。

3.6 橋墩及基礎(chǔ)加固：橋墩水面處因凍結(jié)破損部分，可趁低水位時(shí)K-801膠泥修復(fù)，然后在混凝土表面涂裝防護(hù)。水中基礎(chǔ)部分因河水長(zhǎng)期沖刷，在橋墩附近3米范圍內(nèi)沖刷0.5m深左右，采用人工拋擲袋裝混凝土予以恢復(fù)，拋擲范圍為橋墩兩側(cè)5米范圍內(nèi)。

4 動(dòng)力性能測(cè)試原理

4.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)

橋梁運(yùn)動(dòng)通行的隨機(jī)車輛以不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在橋上行駛，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變形效應(yīng)，測(cè)試指定截面處測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度及橋跨的豎向振動(dòng)特性。

4.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試記錄了兩種方式產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)反應(yīng)信號(hào)：

（1）利用動(dòng)態(tài)加載產(chǎn)生對(duì)結(jié)構(gòu)的激振，測(cè)試結(jié)構(gòu)的余振波形信號(hào)；

（2）采用脈動(dòng)法(環(huán)境隨機(jī)激振法)，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和記錄各測(cè)點(diǎn)對(duì)大地脈動(dòng)(激勵(lì)源)的響應(yīng)信號(hào)。

動(dòng)態(tài)信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器及其組合形態(tài)如圖2所示。

4.3 測(cè)試數(shù)據(jù)整理

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的動(dòng)態(tài)信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)記錄下來(lái)，后期分別在HP3562A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀和DASP或DH軟件平臺(tái)上進(jìn)行分析處理，對(duì)各記錄通道信號(hào)進(jìn)行傳遞函數(shù)、功率譜密度函數(shù)及相干函數(shù)等數(shù)學(xué)分析，獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)結(jié)果。該分析系統(tǒng)框圖如下圖3所示。

5 加固前后動(dòng)力性能測(cè)試

5.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

在受測(cè)橋跨檢測(cè)橋孔的跨中，放置豎向傳感器，測(cè)試了橋跨結(jié)構(gòu)在不同車輛行進(jìn)條件下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)，通過(guò)對(duì)所記錄的振動(dòng)時(shí)程反應(yīng)曲線的整理分析，得到結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的基本性態(tài)。同時(shí)按照實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立空間三維實(shí)體有限元模型計(jì)算了橋跨結(jié)構(gòu)的基本振動(dòng)頻率和振型，橋跨自振頻率的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值列于表1和表2中。

表1 拱橋加固前理論和實(shí)測(cè)自振特性及評(píng)價(jià)

表2 拱橋加固后理論和實(shí)測(cè)自振特性及評(píng)價(jià)

5.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)

（1）實(shí)測(cè)各橋跨的動(dòng)應(yīng)變曲線和動(dòng)位移曲線，通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變與動(dòng)位移時(shí)程曲線的分析，推得了受測(cè)橋跨的荷載沖擊系數(shù)，測(cè)試分析結(jié)果如表3和表4中。

表3 拱橋加固前試驗(yàn)橋跨沖擊系數(shù)(1+μ)表

從橋跨結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)的實(shí)測(cè)值和根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算的容許值的比較可知：實(shí)測(cè)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)高于規(guī)范值，主要原因是橋跨剛度減弱，車輛在跑車通過(guò)橋跨時(shí)造成顛簸所至。

表4 拱橋加固后試驗(yàn)橋跨沖擊系數(shù)(1+μ)表

從橋跨結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)的實(shí)測(cè)值和根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算的容許值的比較可知：實(shí)測(cè)橋跨的沖擊系數(shù)小于規(guī)范限值，表明拱橋目前橋面平順，行車性能良好。

（2）以20kM/h勻速運(yùn)行的車輛使橋跨產(chǎn)生豎向振動(dòng)，加固前：瞬時(shí)最大振幅達(dá)到2.233mm，瞬時(shí)最大動(dòng)應(yīng)變振幅達(dá)到20.46με；加固后：瞬時(shí)最大振幅達(dá)到1.03mm，瞬時(shí)最大動(dòng)應(yīng)變振幅達(dá)到15.6με。

（3）以30kM/h勻速運(yùn)行的隨機(jī)車輛使橋跨產(chǎn)生豎向振動(dòng)，加固前：瞬時(shí)最大振幅達(dá)到2.732mm，瞬時(shí)最大動(dòng)應(yīng)變振幅達(dá)到34.96με；加固后：瞬時(shí)最大振幅達(dá)到1.24mm，瞬時(shí)最大動(dòng)應(yīng)變振幅達(dá)到24με。

6 結(jié)論

從扎曲河上承式鋼筋混凝土拱橋加固前后結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的測(cè)試分析結(jié)果來(lái)看，結(jié)構(gòu)在加固后的各項(xiàng)動(dòng)力性能指標(biāo)全部滿足現(xiàn)行規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的要求，加固效果良好。測(cè)試結(jié)果也表明對(duì)于該類鋼筋混凝土上承式拱橋在立柱間加設(shè)鋼結(jié)構(gòu)剪刀撐能夠大幅度的提高結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)剛度，減小結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)幅值。

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