某钢管混凝土拱桥加固后性能分析

■　黄玮（1.福建省建筑科学研究院，福州　350025；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州　350025）



某钢管混凝土拱桥加固后性能分析

■黄玮1，2
（1.福建省建筑科学研究院，福州350025；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州350025）

摘要桥梁工程的检测评定不但能及时发现桥梁运营中的隐患，还能对既有桥梁进行性能评估，为理论分析提供反馈。本文以一座钢管混凝土拱桥为例，通过有限元分析、静力荷载试验和环境振动试验，对其加固后性能进行分析，为同类结构提供了参考。

关键词钢管混凝土拱桥静载试验环境振动试验性能分析

桥梁工程是交通系统的枢纽工程，维护桥梁安全运行关系重大。桥涵养护工作以“预防为主，防治结合”为原则，通过经常检查、常规定期检查、结构定期检查和特殊检查，能及时发现运营桥梁中存在的安全隐患，再配合适当的维修加固手段，保障桥梁结构在使用期间的性能满足需求［1-4］。本文通过一座钢管混凝土拱桥的加固后性能实例分析，对该桥型的设计、施工、加固改造等提供了参考。

1　工程概况

该大桥上部为一孔净跨46m、净矢跨比1/3的钢管砼中承式肋拱。拱肋为二次抛物线，由Φ800× 14mm钢管内灌C30混凝土组成肋拱断面。桥面以下用Φ600×8mm的下横撑和斜撑，桥面上用Φ700× 10mm的上横撑将两拱肋联成整体。桥面系采用现浇钢筋砼横梁和纵梁桥面板。吊杆原设计为109丝Φ5高强钢丝组成，采用PE防护。桥台为重力式桥台，基础为刚性扩大基础。桥面宽度：净-12+2×0.25（防护栏）+2×0.8（拱肋）+2×1.75（人行道）+2×0.2（栏杆）=18.0m。设计荷载：汽车-20级，挂车-100级，人群荷载3.5kN/m2。

2009年9月第三方对该桥进行了检测，主要结论如下：

钢管拱肋与桥面衔接部位橡胶密封失效，导致该处漏水严重，桥面以下主拱圈钢管锈蚀。主拱钢管焊缝质量检测发现部分焊缝存在缺陷。部分吊杆存在其中钢丝未拉紧、漏油、渗水严重现象。部分锚头、锚板锈蚀严重，易引起钢丝锈蚀；同时，下游侧中心吊杆锚具四丝未拧上。横梁和纵梁裂缝密布，部分裂缝宽度超过0.2mm。两岸桥台台帽均出现混凝土破损、露筋和漏水现象；据回弹测试结果，桥台拱座混凝土实际强度较设计值较低。桥面铺装存在纵横向裂缝，橡胶伸缩缝失效，橡胶支座出现剪切变形。

主拱圈主要受力截面和横梁跨中截面各工况出现实测应力（应变）超过理论应力（应变）的情况，且超出比重较大；主拱和横梁挠度均出现实测值超出理论值的情况，且横梁表现较主拱明显；试验表明，大桥经过十多年运营，桥梁承载能力已不能达到设计荷载等级要求。

基于以上结论，2010年6月该大桥进行了加固施工：钢管拱肋除锈防腐；更换全桥吊杆；封闭纵横梁裂缝；处理台帽露筋病害；修补桥面铺装裂缝；更换橡胶支座、伸缩缝等。

2　加固后性能测试

2.1索力测试

新吊杆索体采用1860MPa级15根φ15.24环氧喷涂无粘结钢绞线缠包后外挤，索体外径φ107mm，破断索力3906kN。经无线索力采集系统测试，结果表明，吊杆索力测试值与设计值的平均相对误差在10％以内，符合规范［5］中规定，斜拉索或吊索索力与设计值允许偏差为10％的要求。详见表1所示。

2.2静载试验

静载试验的主要目的是检验桥梁的刚度和强度是否满足设计性能要求，对各测试截面，按照内力等效的原则，按内力影响线布置试验荷载，使得试验荷载效率不小于0.8且不大于1.05。表2中详细列出了试验各工况的荷载效率。

表1　吊杆索力测试

表2　试验荷载效率表

由于篇幅限制，本文仅列出工况一下结构的加载方案及测试结果。车辆布置详见图1；挠度和应变的测试结果详见表3～表4。工况一控制截面应变校验系数、相对残余应变最大值、相对残余挠度最大值均满足规程［6］的要求；拱肋、横梁挠度的校验系数不满足规程［6］的要求。

图1　工况一静载试验车辆布置

表3　工况一挠度检测结果汇总表

表4　工况一应变检测结果汇总表

2.3环境振动试验

在车道侧边的吊杆相对应的桥面以及第1、2、5、8及9吊杆处拱肋上方，放置加速度传感器，测点布置详见图2。利用桥梁结构在各种随机环境激励（包括日常随机车辆、行人、天然风、水流、地脉动的组合）下引起的振动响应，采集响应的加速度信号。本次试验采样频率为100Hz，采样时间为20min。

实测信号经试验模态分析，得到该拱桥的竖向前两阶振型和频率，详见表5。数据表明，实测竖向一阶频率小于理论计算频率，表明现状桥梁竖向刚度小于设计刚度。理论与实测前两阶竖向振型对比图详见图3～图4。

图2　环境振动传感器测点布置示意图

表5　自振频率实测和理论值汇总表

图3　理论与实测竖向一阶振型（拱肋）

图4　理论与实测实测竖向二阶振型（桥面）

3　结论分析

静载试验和环境振动测试共同反映出该钢管混凝土拱桥的刚度小于加固设计要求，一是由于该桥型大多采用吊杆横梁受力为主的受力体系，整体性较差；二是单圆管截面钢管混凝土拱桥的性能受钢管内混凝土灌浆密实度影响大。因此结构经过加固改造施工后，各试验控制截面的强度满足设计要求，但刚度不满足设计要求，建议限载通行。

参考文献

［1］陈宝春.钢管混凝土拱桥应用与研究进展［J］.公路，2008.

［2］索朗，米玛卓玛.某大跨钢管混凝土拱桥加固后荷载试验及其评价［J］.桥隧工程，2013.

［3］许君臣，刘全忠.中承式钢管混凝土拱桥荷载试验［J］.吉林建筑工程学院学报，2005.

［4］胡爱敏.史各庄大桥维修与加固试验分析［J］.交通科技，2014.

［5］JTG F80/1-2004，公路工程质量检验评定标准.

［6］JTG/T J21-2011，公路桥梁承载能力检测评定规程.