大跨度鋼管混凝土拱橋動力性能測試及加固方案研究

程力

摘要：為研究大跨度鋼管混凝土拱橋動力特性，以沈陽市渾河長青大橋為工程案例，對其進行了脈動試驗測試和強迫振動試驗，建立了有限元計算模型，將計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行了對比，二者吻合良好;并針對改善橋面系剛度提出了四種加固方案，研究了四種加固方案對結(jié)構(gòu)動力性能的改善作用。通過對比得出了鋼管混凝土拱橋最適宜采用的加固改造方案，對類似橋梁加固改造起到了指導(dǎo)、參考作用。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋;動力性能;加固方案;自改

Dynamic Performance Test and Reinforcement Scheme research of Long-Span Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridge

Cheng Li

（China Railway 11^thBureau Group Fifth Engineering Co. Ltd.，Chongqing ?400037，China）

Abstract：In order to investigate the dynamic characteristics of long-span concrete filled steel tubular arch bridge，this paper taking Chang-qing bridge in Shenyang as an engineering case，pulsating test and forced vibration test was done，the finite element calculation model was set up，the calculated results are compared with the measured data in good agreement. And four reinforcement schemes are proposed to improve the stiffness of bridge deck system，the improvement effect of four reinforcement schemes on the dynamic performance of the structure is studied in this paper.Through comparison，the most suitable reinforcement scheme is obtained.It has played a guiding and reference role in the reinforcement and reconstruction of similar bridges.

Key words：concrete filled steel tubular arch bridge;dynamic performance;reinforcement scheme;natural frequency;impact coefficient

1 ?前言

我國在上世紀(jì)九十年代至本世紀(jì)初建造了大量鋼管混凝土拱橋^[1]，但其理論研究卻遠遠滯后于工程實踐。這些早期建成的鋼管混凝土拱橋在常年運營過程中，開始逐漸暴露出諸如管內(nèi)混凝土脫空^[2]不能與鋼管協(xié)同受力、吊桿與系桿的銹蝕、疲勞等問題，尤其是采用懸吊體系的鋼管混凝土拱橋橋面系整體剛度差，在移動車輛作用下橋面變形和振動大、橋面鋪裝使用壽命短的問題特別突出^[3]。本文以沈陽市渾河長青大橋為例，對其進行動力性能測試^[4]，并針對性地提出改造加固方案^[5，6]，以期類似工程參考。

2 ?工程背景

渾河長青大橋位于沈陽市東南部，是沈陽城區(qū)重要的交通要道，于1997年7月竣工通車，運營至今已二十余年。其主橋為三孔中承式鋼管混凝土拱橋，凈跨徑為120m+140m+120m，南北邊孔各為凈跨徑50m的空腹式鋼筋混凝土肋拱橋，橋梁全長630m，橋?qū)?2.5m。主孔計算跨徑143.666m，計算矢高35.017m，矢跨比為1/4.103;邊孔計算跨徑123.223m，計算矢高26.488m，矢跨比為1/4.652。拱肋截面由四根上、下弦桿通過豎直腹桿、斜腹桿組成空間桁架，上、下弦桿內(nèi)灌混凝土，主孔拱肋斷面高3.4m，寬1.8m，邊孔拱肋斷面高3.0m，寬1.8m。橫橋向兩側(cè)拱肋通過橫向三道橫撐連接成整體。橋面系采用懸吊體系，橫梁采用PC箱型結(jié)構(gòu)，橋面板為實心矩形板，厚度為25～35cm。

長青路是沈陽城市主干道，常年有大量重載貨車通行，渾河長青大橋車致振動非常明顯，導(dǎo)致橋面鋪裝常年破損，更換頻率極高，并帶來橫梁局部裂縫、拱腳鋼管混凝土局部脫空等病害，亟待解決。

3 ?動力性能測試

為研究渾河長青大橋動力性能，對其進行了脈動試驗測試，通過譜分析得到橋梁結(jié)構(gòu)自振特性;并對其進行了強迫振動試驗（跑車試驗和跳車試驗），測量其動力響應(yīng)，即橋梁的響應(yīng)頻率、振幅、動應(yīng)變及沖擊系數(shù)等，并對測得的橋梁動力響應(yīng)值進行分析，獲得橋梁的動力響應(yīng)特性^[7]。

3.1 ?自振頻率及阻尼比

采用ANSYS建立三維有限元仿真模型對渾河長青橋自振特性進行分析。采用等效土彈簧計算樁基礎(chǔ)各向彈性剛度，計算抗推剛度比很大，因此可不考慮連拱效應(yīng)，分別建立主跨、邊跨單孔計算模型。拱肋各桿件、橫梁、縱梁等均采用空間梁單元模擬，吊桿采用桿單元模擬，橋面板采用空間板單元模擬。主孔有限元模型如圖3所示。

將渾河長青大橋動力測試所得到的自振頻率及阻尼比與采用ANSYS三維有限元模型數(shù)值仿真模型計算結(jié)果對比見表1。

長青大橋豎向、橫向?qū)崪y值基頻均大于計算頻率，表明橋梁豎、橫向整體動力剛度滿足要求，這與外觀檢查時未發(fā)現(xiàn)拱肋明顯病害、吊桿PE護套無破損、開裂、嚴(yán)重老化等現(xiàn)象的結(jié)論是一致的。

3.2 ?沖擊系數(shù)

沖擊系數(shù)是評價橋梁動力性能的重要參數(shù)。本次對長青橋主跨沖擊系數(shù)的測試試驗中，在跨中及1/4跨處分別布置測點，對不同車速的跑車試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖4所示。

長青大橋主跨豎向基頻為0.76Hz，按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）^[8]（后簡稱《通規(guī)》）回歸公式計算，沖擊計算值系數(shù)為1.05;按照《公路鋼管混凝土橋梁設(shè)計與施工指南》^[9]（后簡稱《指南》）回歸公式μ=0.05736f+0.0748計算，沖擊系數(shù)為1.118。而實測跨中測點沖擊系數(shù)在1.14～1.26范圍內(nèi)，1/4跨測點沖擊系數(shù)在1.12～1.18范圍內(nèi)，顯著大于按照《通規(guī)》計算值，與《指南》計算值相對較為接近，二者均通過實測值回歸沖擊系數(shù)，將所有影響因素歸結(jié)于結(jié)構(gòu)豎向基頻是值得探討的，橋面狀況顯然是影響橋梁沖擊系數(shù)的重要因素，長青橋橋面常年破損增大了車輛通過時的振動情況，車輛的振動反過來作為外部激勵加劇了橋梁振動響應(yīng)，二者耦合振動效應(yīng)明顯。

拱肋、橋面系面內(nèi)反對稱二階

同時，由圖4可知，車速對沖擊系數(shù)有較大的影響，不同車速下的沖擊系數(shù)存在約0.08的離散偏差，實測結(jié)果表明沖擊系數(shù)在車速V=20km/h時最大，與文獻[3]的結(jié)論基本一致，因此車速也是影響橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)的重要因素。

4 ?加固方案研究

通過現(xiàn)場測試可以判斷，橋梁整體結(jié)構(gòu)不存在顯著問題，豎向及橫向剛度均滿足要求，但橋面局部破損嚴(yán)重導(dǎo)致車橋耦合振動效應(yīng)明顯，雖然長青大橋橋面鋪裝更換頻率高，但依然無法根治橋面損壞病害，主要是因為橋梁采用懸吊體系，橋面系的整體縱向剛度較低，橋面系局部變形大、振動明顯^[10]，解決該問題的關(guān)鍵在于如何有效地對整個結(jié)構(gòu)進行剛度補強^{[11，12]}。擬定如表2所示四種加固方案。

4.1 ?對自振頻率的影響

四種擬加固方案自振頻率如圖5。

4.2 ?對沖擊系數(shù)的影響

為研究四種加固方案對長青橋的豎向動撓度的影響，本文定義相對沖擊系數(shù)μ'為每一種加固方案控制位置最大動撓度與原結(jié)構(gòu)最大靜撓度。針對車速v=50km/h，對橋面跨中測試點、1/4跨測試點進行分析，計算結(jié)果見圖6。

方案一對跨中橋面豎向撓度降低效果明顯，相對沖擊系數(shù)減小了27.9%，而對吊桿面積增加范圍以外的1/4跨位置相對沖擊系數(shù)僅減小了3.5%。

方案二跨中截面相對沖擊系數(shù)降低了34.4%，1/4跨截面相對沖擊系數(shù)也降低了15.9%，因此該加固方案在橫梁之間增設(shè)縱梁，使得橋面系整體性能得到較大程度的改善，對結(jié)構(gòu)豎向撓度影響十分顯著。

方案三增加橋面板厚度對橋面系豎向剛度的提高有較明顯的作用，跨中和1/4跨橋面相對沖擊系數(shù)分別降低了23.8%和9.7%。橋面板厚度的增加很大程度的改善了橋面局部剛度，使得如橫梁效應(yīng)、爬坡效應(yīng)等因為局部變形而產(chǎn)生的附加橋面不平整度大大減小;同時也應(yīng)該注意到，對于已運營多年的舊橋來說，橋面板厚度的增加意味著恒載作用的增加，結(jié)構(gòu)能否依然滿足安全及變形要求，這也是必須謹(jǐn)慎考慮的問題。

方案四綜合了前三種方案，顯然對結(jié)構(gòu)豎向剛度增加的效果是最明顯的，跨中截面和1/4跨截面相對沖擊系數(shù)分別降低了46.7%和21.2%。方案四對結(jié)構(gòu)豎向剛度的提高近似為前三種方案各自貢獻的疊加，推薦采用。

5 ?結(jié)束語

本文以沈陽渾河長青大橋為工程案例，對其進行了現(xiàn)場動力測試，測試結(jié)果表明：

（1）其結(jié)構(gòu)整體豎向、橫向?qū)崪y值基頻均大于計算頻率，橋梁整體豎、橫向整體動力剛度滿足要求;

（2）實測沖擊系數(shù)明顯大于按照規(guī)范計算值，建議對于鋼管混凝土拱橋沖擊系數(shù)理論計算時應(yīng)考慮橋面狀況和車速的影響。

針對長青橋現(xiàn)狀提出了四種加固方案，并對四種方案對橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率和相對沖擊系數(shù)進行了研究，結(jié)果表明：

（1）四種擬加固改造方案對橋梁結(jié)構(gòu)整體橫向、豎向自振頻率及振型影響很小;

（2）增加橋面系縱梁和增加橋面板厚度對結(jié)構(gòu)相對沖擊系數(shù)降低明顯;方案四近似為前三種方案的疊加作用，推薦實施。

參考文獻

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