钢筋混凝土上承式拱桥加固前后动力性能测试分析

李 红

（中铁二十一局集团第二工程有限公司，甘肃 兰州730050）

0 引言

桥梁的自振特性和在竖向动荷载（车辆移动与冲击）下的激振响应是评价桥梁承载能力状态的一个重要因素。结构的动力分析主要研究结构在动荷载（如行驶车辆、风、地震荷载）作用下的力学行为，其内容主要包括确定结构的自振特性以及动力激励源作用下结构的响应。其中自振特性是动力分析的基础。结构固有振动特性反映了结构的整体状态，它与结构的材料、构造、连接状况、约束条件、结构尺寸等因素密切相关；桥梁的强迫振动行为能综合反映其自身的动力特性、车辆及其运动特性、桥面铺装的平整状况等因素。

通过检测桥梁的自由振动特性及在竖向动荷载（车辆移动与冲击）作用下的强迫振动反应来评价桥梁的动力性态。

1 工程概况

扎曲河上承式钢筋混凝土拱桥位于青海省玉树州杂多县城内，联系杂多县城扎曲河两岸。由于缺乏相应设计及施工资料，根据相关走访了解，该桥修建年代为上世纪70年代。该桥主结构为3×35米上承式钢筋混凝土拱桥，桥面连续，截面由4幅矩形拱肋组成，下部结构采用重力式墩台，应为钻孔灌注桩基础。2014年对该桥进行了维修加固。原技术标准：桥梁宽度：全宽0.5（护栏）+净6.0m+0.5（护栏），设计荷载：汽—15，验算荷载：拖—60。加固设计荷载：汽-15，挂-80。

2 桥梁加固强病害

2.1 栏杆部分

全桥栏杆为预制混凝土柱式栏杆，多处明显破坏损伤，多处栏杆已经缺失。栏杆基座及人行道裂缝发育。

2.2 桥面部分

桥面铺装破损较为严重，铺装层混凝土存在掉块、裂缝发育。桥面排水孔破损或者堵塞，失去排水功能；桥面存在严重积水。

2.3 结构部分

桥面板存在不同程度的裂缝，同时桥面防水层存在破损；拱肋存在不同程度的裂缝及缺损；拱肋及拱脚处已出现多条裂缝。

3 加固改造措施

3.1 桥面系改造：拆除原桥面系，重新设置防水层及伸缩缝、铺设钢筋网、浇筑防水混凝土；人行道拆除重建，同时重新设置排水孔；拆除原装配式混凝土栏杆，更换为轻便式钢结构栏杆；桥头增设限高、限宽标志。

3.2 桥面板加固：先处理桥面板裂缝、破损等混凝土缺陷，然后在底部粘贴一层碳纤维布。

3.3 立柱加固：在1#、2#立柱间增加钢结构剪刀撑，以增强梁体竖向刚度。钢结构表面涂装防护。

3.4 拱圈加固：先将拱圈的装饰凹槽用混凝土填平，在拱肋下缘粘贴6mm钢板。钢结构表面涂装防护。

3.5 桥台锥坡加固：待桥台锥坡上垃圾以及覆盖桥台基础的土体清理完毕后，测量观察基础位移状况。县城方向桥台浆砌片石完全裸漏后，用M15砂浆修复破损的护坡；其他部位采用注浆方式处理浆砌块石下的空洞。

3.6 桥墩及基础加固：桥墩水面处因冻结破损部分，可趁低水位时K-801胶泥修复，然后在混凝土表面涂装防护。水中基础部分因河水长期冲刷，在桥墩附近3米范围内冲刷0.5m深左右，采用人工抛掷袋装混凝土予以恢复，抛掷范围为桥墩两侧5米范围内。

4 动力性能测试原理

4.1 结构动力反应

桥梁运动通行的随机车辆以不同的运动状态在桥上行驶，使结构产生动态变形效应，测试指定截面处测点的动应变、动挠度及桥跨的竖向振动特性。

4.2 结构动力特性

结构动力特性测试记录了两种方式产生的结构动态反应信号：

（1）利用动态加载产生对结构的激振，测试结构的余振波形信号；

（2）采用脉动法(环境随机激振法)，在现场测试和记录各测点对大地脉动(激励源)的响应信号。

动态信号现场测试仪器及其组合形态如图2所示。

4.3 测试数据整理

现场测试的动态信号经计算机记录下来，后期分别在HP3562A动态信号分析仪和DASP或DH软件平台上进行分析处理，对各记录通道信号进行传递函数、功率谱密度函数及相干函数等数学分析，获得结构的动态反应结果。该分析系统框图如下图3所示。

5 加固前后动力性能测试

5.1结构动力特性

在受测桥跨检测桥孔的跨中，放置竖向传感器，测试了桥跨结构在不同车辆行进条件下的结构振动反应，通过对所记录的振动时程反应曲线的整理分析，得到结构自由振动的基本性态。同时按照实际结构尺寸建立空间三维实体有限元模型计算了桥跨结构的基本振动频率和振型，桥跨自振频率的计算值与实测值列于表1和表2中。

表1 拱桥加固前理论和实测自振特性及评价

表2 拱桥加固后理论和实测自振特性及评价

5.2 结构动力反应

（1）实测各桥跨的动应变曲线和动位移曲线，通过对测点动应变与动位移时程曲线的分析，推得了受测桥跨的荷载冲击系数，测试分析结果如表3和表4中。

表3 拱桥加固前试验桥跨冲击系数(1+μ)表

从桥跨结构冲击系数的实测值和根据现行规范计算的容许值的比较可知：实测桥跨结构的冲击系数高于规范值，主要原因是桥跨刚度减弱，车辆在跑车通过桥跨时造成颠簸所至。

表4 拱桥加固后试验桥跨冲击系数(1+μ)表

从桥跨结构冲击系数的实测值和根据现行规范计算的容许值的比较可知：实测桥跨的冲击系数小于规范限值，表明拱桥目前桥面平顺，行车性能良好。

（2）以20kM/h匀速运行的车辆使桥跨产生竖向振动，加固前：瞬时最大振幅达到2.233mm，瞬时最大动应变振幅达到20.46με；加固后：瞬时最大振幅达到1.03mm，瞬时最大动应变振幅达到15.6με。

（3）以30kM/h匀速运行的随机车辆使桥跨产生竖向振动，加固前：瞬时最大振幅达到2.732mm，瞬时最大动应变振幅达到34.96με；加固后：瞬时最大振幅达到1.24mm，瞬时最大动应变振幅达到24με。

6 结论

从扎曲河上承式钢筋混凝土拱桥加固前后结构动力性能的测试分析结果来看，结构在加固后的各项动力性能指标全部满足现行规范及标准的要求，加固效果良好。测试结果也表明对于该类钢筋混凝土上承式拱桥在立柱间加设钢结构剪刀撑能够大幅度的提高结构的横向振动刚度，减小结构横向振动幅值。

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