梁拱組合體系拱橋改造前檢測(cè)實(shí)例分析

李從財(cái)，劉炎

（江西省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院有限公司，江西 南昌 330200）

0 引言

目前，我國(guó)各已建橋梁的交通運(yùn)量及運(yùn)營(yíng)情況存在較大差異，一些公路橋梁存在潛在病害，需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修和技術(shù)改造，據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)營(yíng)中的橋梁約有25%處于修繕改造狀態(tài)，需維修的橋梁中高等級(jí)公路的橋梁約占35%[1]。對(duì)既有老橋采用合理的加固和拓寬改造措施，不但能保證既有橋梁的使用壽命，還能節(jié)約成本、提高其承載及通行能力。不但能節(jié)省大量的建設(shè)投資，收到良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，還能通過對(duì)舊危橋的維修和加固處理，消除交通安全隱患，提高橋梁通行能力及服務(wù)水平[2]。因此，對(duì)橋梁加寬改造方法進(jìn)行深入研究是很有必要的[3]。

1 工程概況

贛州市章江大橋在2010年2月投入營(yíng)運(yùn)，是連接贛州市章江兩側(cè)城區(qū)的重要交通通道。主橋造型為飛燕式鋼拱橋，主跨鋼箱梁的長(zhǎng)度為104m，由預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁組成，其主跨158m、邊跨48m，對(duì)稱布置，即48+158+48=254m。主跨是由一根主拱和兩根以主拱為軸線對(duì)稱設(shè)置的穩(wěn)定拱組成，拱肋為鋼管填充微膨脹混凝土，呈現(xiàn)對(duì)稱拋物線狀；主拱和穩(wěn)定拱之間設(shè)置斜撐，穩(wěn)定拱之間設(shè)置橫撐；邊跨梁為單箱五室的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主跨梁為單箱三室的鋼箱梁；主拱共設(shè)16對(duì)吊桿，吊桿索均由鍍鋅高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲組成，同一斷面橫橋向布置兩根吊索；中央分隔帶的橋面設(shè)置了系桿，系桿拉索采用PES（FD）系列新型低應(yīng)力防腐拉索，系桿拉索由253根7mm鍍鋅高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲組成；下部結(jié)構(gòu)共有4個(gè)墩臺(tái)，2個(gè)主墩坐落于拱座上，拱座與承臺(tái)連成一體，基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，交接墩采用框架墩，橋墩采用雙墩柱。

章江大橋現(xiàn)行的橋面為雙向6車道，兩側(cè)設(shè)置人非混行通道，考慮到城市發(fā)展過程中的交通需求，改造后的橋面需要雙向8車道（人行道改為行車道，簡(jiǎn)稱“人改車”）才能滿足目前的通行需求。

2 主橋現(xiàn)狀損傷檢測(cè)及分析

結(jié)合主橋結(jié)構(gòu)特征，主要開展上部承重構(gòu)件（混凝土現(xiàn)澆箱梁、鋼箱梁、吊桿、系桿）、下部構(gòu)造（V墩、交接墩）、橋面及橋梁附屬設(shè)施等的檢測(cè)，具體檢測(cè)結(jié)果如下：

2.1 橋面系

（1）拱肋區(qū)水泥混凝土橋面存在大面積網(wǎng)狀裂縫，裂縫寬約2mm。

（2）21#墩側(cè)拱腳處橋面瀝青混凝土局部破損致鋼箱梁頂板外露，面積0.09m2；系車輛荷載反復(fù)作用所致，對(duì)此處鋼箱梁頂板及U肋影響較為明顯。

（3）伸縮縫均泥沙堆積、止水帶輕微破損。

2.2 主梁、吊桿、系桿等主要受力構(gòu)件

（1）混凝土箱梁各箱室橫隔板頂板和合龍段頂板均存在縱向裂縫，寬度主要集中在0.08～0.25mm，屬于非結(jié)構(gòu)性裂縫，對(duì)主要結(jié)構(gòu)受力無影響。

（2）鋼箱梁中多數(shù)頂板U肋及其焊縫處存在銹蝕現(xiàn)象，系橋面破損致使雨水滲入，箱室內(nèi)長(zhǎng)期濕度較大，加之養(yǎng)護(hù)不到位所致。

2.3 下部結(jié)構(gòu)

主跨側(cè)V腿與主梁底交接處附近局部銹脹露筋，總面積約為7m2。

3 主橋現(xiàn)狀靜、動(dòng)載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)性能分析

為判斷上述構(gòu)件缺損對(duì)主橋現(xiàn)狀承載能力的影響，并為下一步橋梁改造提供技術(shù)依據(jù)，將對(duì)主橋（特殊結(jié)構(gòu)橋梁）進(jìn)行鑒定性荷載試驗(yàn)。鑒定性試驗(yàn)時(shí)，控制荷載采用原設(shè)計(jì)荷載（通常情況下為當(dāng)前的使用荷載）或擬改變通行能力所期望的荷載（目標(biāo)荷載）；通過加載或等效加載評(píng)定結(jié)構(gòu)承載能力是否滿足改造要求。

3.1 試驗(yàn)方案

3.1.1 靜載試驗(yàn)

靜載測(cè)試內(nèi)容為控制斷面的內(nèi)力增量情況，每個(gè)控制斷面的測(cè)試包含偏載（左右幅加載車輛均偏向一側(cè)）和中載（左右幅加載車輛均于行車道中心）兩種工況?？刂茢嗝鎯?yōu)先選擇活載內(nèi)力或活載所致變形較大的截面，本橋控制斷面為鋼箱梁跨中截面、邊跨混凝土箱梁跨中截面、主拱肋頂截面以及跨中附近幾對(duì)吊桿。

依據(jù)改造后的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，活荷載形成的各種工況下的最不利效應(yīng)值，是按下式所定原則進(jìn)行等效換算而分別得到其所加載車輛數(shù)量以及加載車輛輪位布置：

式中：η為靜力試驗(yàn)荷載效率系數(shù)；Ss為試驗(yàn)荷載作用下控制斷面變位或力的計(jì)算值；μ為設(shè)計(jì)取用的沖擊系數(shù)；S'為改造后設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載作用下控制斷面變位或力的計(jì)算值。

靜載試驗(yàn)中校驗(yàn)系數(shù)?（試驗(yàn)荷載作用下的控制斷面效應(yīng)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之比）是評(píng)定結(jié)構(gòu)工作狀況、確定橋梁整體剛度和承載能力的一個(gè)重要指標(biāo)。

?等于1，說明實(shí)測(cè)值與計(jì)算值完全相符；

?小于1，說明結(jié)構(gòu)工作性能較好，承載能力有一定富裕，有安全儲(chǔ)備；

?大于1，說明結(jié)構(gòu)工作性能不理想，應(yīng)判定為承載能力不足或整體剛度不足。

3.1.2 動(dòng)載試驗(yàn)

該項(xiàng)目橋梁結(jié)構(gòu)主要荷載為車輛活載，當(dāng)車輛以一定速度通過橋梁時(shí)，引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而造成結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形比相同靜力荷載作用時(shí)要大，這種動(dòng)力反應(yīng)是橋梁結(jié)構(gòu)和車輛這兩個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)可對(duì)此進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

動(dòng)載試驗(yàn)包括以下兩種工況：

（1）跑車試驗(yàn)：在橋面無任何障礙的情況下，用兩輛載重汽車（左右幅各一輛）分別以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h勻速通過橋梁；

（2）模態(tài)試驗(yàn)：測(cè)量橋梁固有振動(dòng)（自振頻率、振型）。動(dòng)載試驗(yàn)中橋梁自振頻率變化不僅能夠反映結(jié)構(gòu)損傷情況，而且還能反映結(jié)構(gòu)整體性能和受力體系的改變。通過測(cè)試橋梁自振頻率的變化，可以分析橋梁結(jié)構(gòu)性能，評(píng)定橋梁工作狀況。實(shí)測(cè)自振頻率fmi與理論計(jì)算fdi的比值按表1規(guī)定定性判別橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度，比值越小損傷程度越大。

表1 橋梁自振頻率評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

3.2 模型建立

結(jié)構(gòu)理論計(jì)算采用有限元程序MIDAS和ANSYS進(jìn)行分別計(jì)算，MIDAS模型主要用于確定試驗(yàn)加載效率，ANSYS模型用于模擬實(shí)際加載，并提取試驗(yàn)理論數(shù)據(jù)，計(jì)算模型如圖1、圖2所示。

圖1 主橋MIDAS計(jì)算模型圖

圖2 主橋ANSYS計(jì)算模型圖

3.2.1 單元選擇

MIDAS計(jì)算模型建立如下：

采用桿系梁、桁架單元，對(duì)主橋的各個(gè)構(gòu)件以及主梁進(jìn)行模擬。

ANSYS計(jì)算模型建立要點(diǎn)如下：

（1）滿足小變形假定，未計(jì)入普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)截面慣性矩增強(qiáng)的作用，未考慮收縮徐變，未考慮混凝土材料非線性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；

（2）鋼箱梁和混凝土箱梁采用Shell63單元，主拱、穩(wěn)定拱、橫撐、斜撐及V墩采用beam44單元，吊桿、系桿采用Link8單元。

3.2.2 材料參數(shù)

模型所使用的其他材料參數(shù)根據(jù)老橋設(shè)計(jì)時(shí)的相關(guān)設(shè)定，按規(guī)范取值，具體見表2。

表2 主要材料參數(shù)

3.2.3 約束條件

部分主墩和邊墩則以一般支承方式進(jìn)行模擬，具體見表3。

表3 約束條件

表3中：DX為縱橋向平動(dòng)自動(dòng)度；DY為橫橋向平動(dòng)自動(dòng)度；DZ為豎向平動(dòng)自動(dòng)度分別；RX為繞縱橋向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；RY為橫橋向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；RZ為豎向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。0意味著不約束，1意味著約束。

MIDAS模型中的混凝土箱梁和鋼箱梁之間采用了彈性連接進(jìn)行其牛腿的銜接，ANSYS模型中鋼箱梁與混凝土箱梁交接處采用節(jié)點(diǎn)耦合方式模擬。

3.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 鋼箱梁跨中截面

（1）撓度結(jié)果分析

偏載時(shí)偏載側(cè)撓度較非偏載側(cè)撓度大，而中載時(shí)各測(cè)點(diǎn)撓度較為均勻；偏載、中載下橫向增大系數(shù)分別為1.72、1.05，說明偏載效應(yīng)較明顯；規(guī)范要求的撓度校驗(yàn)系數(shù)是小于1.0，實(shí)測(cè)的在0.74～0.89，滿足要求；殘余變形比也滿足規(guī)范小于0.20的要求，說明鋼箱梁結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)良好，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的損傷未對(duì)其整體受力造成明顯影響。

（2）應(yīng)力結(jié)果分析

規(guī)范的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)要求是小于1.0，而實(shí)測(cè)的是在0.56～0.94，梁底測(cè)點(diǎn)在0.90前后浮動(dòng)，均滿足規(guī)范要求；規(guī)范要求的殘余應(yīng)力比是小于0.20，實(shí)測(cè)值也滿足，這說明鋼箱梁彈性工作狀態(tài)良好，實(shí)橋損傷對(duì)其整體受力影響不明顯。

3.3.2 邊跨混凝土箱梁跨中截面

（1）撓度結(jié)果分析

偏載時(shí)偏載側(cè)撓度比非偏載側(cè)撓度大，而中載時(shí)各測(cè)點(diǎn)撓度較為均勻；偏載、中載下橫向增大系數(shù)分別為1.35、1.09，說明偏載效應(yīng)較為明顯；規(guī)范的撓度校驗(yàn)系數(shù)要求是小于1.0，而實(shí)測(cè)值是0.61～0.83，滿足要求；殘余變形比也滿足規(guī)范小于0.20的要求，說明混凝土箱梁結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)良好，實(shí)橋損傷對(duì)其整體受力影響不明顯。

（2）應(yīng)力結(jié)果分析

應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.40～0.83之間，滿足規(guī)范小于1.0的要求；殘余應(yīng)力比也滿足規(guī)范小于0.20的要求，說明混凝土箱梁結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)良好，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的損傷未對(duì)混凝土箱梁整體受力造成明顯影響。

3.3.3 吊桿結(jié)果分析

吊桿索力校驗(yàn)系數(shù)在0.76～0.96之間，滿足規(guī)范小于1.0的要求，說明現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的損傷未對(duì)吊桿受力造成明顯影響。

3.3.4 主拱肋結(jié)果分析

規(guī)范的撓度校驗(yàn)系數(shù)要求是小于1.0，實(shí)測(cè)值是0.35～0.92，滿足要求；殘余變形比也滿足規(guī)范小于0.20的要求，說明結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)良好，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的損傷未對(duì)主拱肋受力造成明顯影響。

3.4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 沖擊系數(shù)分析

沖擊系數(shù)是模擬其橋梁主體結(jié)構(gòu)在無障礙行車情況下的動(dòng)撓度/動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線而具體分析和計(jì)算。沖擊系數(shù)計(jì)算見公式（2），實(shí)測(cè)結(jié)果見表3。

式中：fdmax為最大動(dòng)撓度幅值；fjmax為波形振幅中心軌跡最高峰的值，或是低通濾波取值；fdmax+fdmin為fdmax對(duì)應(yīng)的動(dòng)撓度波谷值；fp-p為撓度動(dòng)態(tài)分量的峰-峰值。

表3 主橋改造前各車速跑車、剎車下的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)

在10～50km/h車速范圍內(nèi)，主橋的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)是在0.031～0.161，與車速成正相關(guān)關(guān)系，其在40km/h以上車速的跑車工況下，中跨的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)會(huì)稍大于其設(shè)計(jì)值，這可能是因?yàn)槠錁蛎驿佈b不平整，不影響整體結(jié)構(gòu)受力。

3.4.2 橋梁振動(dòng)特性分析

章江大橋的主橋振動(dòng)頻率實(shí)測(cè)值和理論值對(duì)比情況見表3。

表3 主橋改造前振動(dòng)特性實(shí)測(cè)和理論的對(duì)比情況

章江大橋主橋改造前的前四階振動(dòng)頻率的實(shí)測(cè)值和理論值的比值在1.044～1.157內(nèi)，都大于1.00，說明章江大橋主橋的實(shí)際剛度與理論要求相吻合。可見，發(fā)現(xiàn)的損傷對(duì)主橋整體剛度為輕微，無明顯影響。

4 結(jié)語

改造前在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的損傷只對(duì)橋梁耐久性有一定影響，但未對(duì)結(jié)構(gòu)造成明顯影響，這說明尚存病害對(duì)橋梁承載能力無明顯影響，目前承載力滿足當(dāng)前交通需求。試驗(yàn)結(jié)果表明，章江大橋改造前主橋的各構(gòu)件撓度、應(yīng)力和剛度校驗(yàn)系數(shù)都滿足要求，整體承載能力有一定富余，主要受力構(gòu)件受力狀態(tài)良好，這說明模型模擬基本準(zhǔn)確，可用于指導(dǎo)下一步改造分析。