下承式鋼管混凝土系桿拱橋特殊檢測試驗方法研究

鄧玉華

（福建省交通建設(shè)工程試驗檢測有限公司，福州 350001）

1 引言

下承式鋼管混凝土系桿拱橋，以其獨特的結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)美結(jié)構(gòu)線形，廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)中。服役多年后的下承式鋼管混凝土拱橋?qū)⒚媾R1 次全面的特殊檢測，用以評價其承載能力是否出現(xiàn)嚴(yán)重的衰減，并為后期的養(yǎng)護(hù)和修復(fù)工作提出建議[1]。本文以1 座服役多年的下承式鋼管混凝土系桿拱橋為例，對其進(jìn)行特殊檢測試驗方法研究。

2 工程背景

某下承式鋼管混凝土系桿拱橋分左右幅，橋梁總長113.72 m。橋跨布置為1 孔跨徑99 m 的鋼管混凝土下承式系桿拱，凈矢跨比1/5，凈矢高19.8 m。設(shè)計荷載為汽超-20級，掛-100 級，人群荷載4.0 kN/m2。

3 橋梁技術(shù)狀況評估

3.1 外觀病害檢測

對橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的外觀檢測。橋面系的主要病害是橋面鋪裝的磨光、露骨、裂縫、破損。上部結(jié)構(gòu)的主要病害是拱肋拱背鰭狀凸起處鐵件均出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象以及局部生銹。下部結(jié)構(gòu)的主要病害是橋臺前墻砌縫脫落以及開裂、滲水等[2]。

3.2 自振頻率測試

3.2.1 測點布置

橋梁自振特性測點布置在橋面行車道上，以觀測橋梁豎向自振特性。自振頻率測點須在拱肋及橋面同時布點，協(xié)同采集。

3.2.2 測試結(jié)果

有限元程序M IDAS/CIVIL 理論計算模態(tài)值豎向第一階振型對比如圖1 所示。表明該下承式鋼管混凝土系桿拱橋?qū)嶋H成橋剛度大于理論剛度，說明橋梁的整體剛度滿足設(shè)計要求。

圖1 豎向第一階振型對比

3.3 無損檢測

無損檢測主要針對該橋混凝土部件，包括混凝土強度、碳化深度檢測及鋼筋保護(hù)層厚度檢測3 個方面。根據(jù)測試結(jié)果得到回彈強度、鋼筋保護(hù)層厚度評定標(biāo)度均為1。

3.4 橋梁技術(shù)狀況評定

對該橋進(jìn)行技術(shù)狀況等級評定，評定結(jié)果為：上部構(gòu)造39.7 分，下部構(gòu)造83.3 分，橋面系60.0 分，本橋技術(shù)狀況評分為Dr=39.7×0.40+83.3×0.40+60.0×0.20=61.2，故該橋技術(shù)狀況評定等級為3 類。

4 靜力荷載試驗

4.1 靜力荷載試驗工況

根據(jù)下承式鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)特點確定靜力荷載試驗項目包括：L/2 截面（L 為橋長）、L/4 截面最大正彎矩偏載應(yīng)變、撓度測試；拱腳最大負(fù)彎矩偏載應(yīng)變測試。

4.2 測點布置

應(yīng)變、撓度測試工況、截面及測點布置見表1 和圖2。

表1 各工況控制截面及量測內(nèi)容

圖2 截面應(yīng)變測點圖

4.3 靜載數(shù)據(jù)分析

該下承式鋼管混凝土系桿拱橋應(yīng)變校驗系數(shù)位于0.60～0.87，處于規(guī)定的正常值范圍，所以，截面剛度滿足試驗荷載要求。該下承式鋼管混凝土系桿拱橋撓度校驗系數(shù)位于0.60～0.80，滿足規(guī)定的正常值范圍，所以，整體剛度滿足試驗荷載要求[3]。

5 承載能力檢算

5.1 鋼管混凝土拱肋承載能力極限狀態(tài)計算

5.1.1 檢算依據(jù)

鋼管混凝土拱肋承載能力極限狀態(tài)，根據(jù)式（1）進(jìn)行計算評定：

式中，S 為荷載效應(yīng)函數(shù)；R（*）為結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)；其他參數(shù)意義見表2。

表2 結(jié)構(gòu)檢算參數(shù)取值

5.1.2 檢算參數(shù)取值及檢算結(jié)果

檢算參數(shù)取值見表2。取最不利的拱腳斷面進(jìn)行極限承載力驗算，且由計算可知，荷載效應(yīng)組合最不利內(nèi)力為承載能力極限狀態(tài)組合1（即考慮恒載+車輛荷載+人群荷載）的內(nèi)力值[4-6]。查結(jié)果可知，用拱腳最小彎矩（負(fù)彎矩最大值）控制設(shè)計：彎矩值Mj=8 795.6 kN·m，軸力值Nj=16 930 kN。

根據(jù)式（1），鋼管混凝土拱肋拱腳極限承載能力：

鋼管混凝土拱肋拱腳荷載組合效應(yīng)：

以上計算結(jié)果表明，鋼管混凝土拱肋承載能力極限狀態(tài)滿足要求。

5.2 吊索承載能力計算

5.2.1 檢算依據(jù)

吊索承載能力計算，根據(jù)式（2）進(jìn)行計算評定：

式中，N 為吊索受拉軸力設(shè)計值；其他參數(shù)意義見表3。

5.2.2 檢算參數(shù)取值

結(jié)構(gòu)檢算參數(shù)取值參照表3。

表3 結(jié)構(gòu)檢算參數(shù)取值

5.2.3 檢算結(jié)果

成橋狀態(tài)外肋吊桿索力在荷載組合作用下的計算結(jié)果見表4。

表4 外肋吊桿索力計算結(jié)果kN

6 結(jié)論

本文通過某下承式鋼管混凝土系桿拱橋特殊檢查試驗方法研究，得到如下結(jié)論：

1）根據(jù)外觀質(zhì)量檢查及測試結(jié)果，本橋技術(shù)狀況評分為61.2，故該橋技術(shù)狀況評定等級為3 類。

2）靜力荷載卸零后各撓度測點與應(yīng)變測點的相對殘余均滿足規(guī)范中小于20%的規(guī)定；試驗荷載滿載時，各撓度測點與應(yīng)變測點實測值均小于理論計算值，校驗系數(shù)滿足規(guī)范中的要求。

3）無障礙行車試驗下，左右幅沖擊系數(shù)小于根據(jù)規(guī)范計算的理論計算值，說明本橋行車舒適性較好。

4）承載能力檢算的結(jié)果表明：該橋目前狀態(tài)能滿足汽車-超20 的通行要求，吊索承載能力滿足規(guī)范要求。