梁拱组合体系拱桥改造前检测实例分析

李从财，刘炎

（江西省交通运输科学研究院有限公司，江西 南昌 330200）

0 引言

目前，我国各已建桥梁的交通运量及运营情况存在较大差异，一些公路桥梁存在潜在病害，需要进行养护维修和技术改造，据统计，运营中的桥梁约有25%处于修缮改造状态，需维修的桥梁中高等级公路的桥梁约占35%[1]。对既有老桥采用合理的加固和拓宽改造措施，不但能保证既有桥梁的使用寿命，还能节约成本、提高其承载及通行能力。不但能节省大量的建设投资，收到良好的社会和经济效益，还能通过对旧危桥的维修和加固处理，消除交通安全隐患，提高桥梁通行能力及服务水平[2]。因此，对桥梁加宽改造方法进行深入研究是很有必要的[3]。

1 工程概况

赣州市章江大桥在2010年2月投入营运，是连接赣州市章江两侧城区的重要交通通道。主桥造型为飞燕式钢拱桥，主跨钢箱梁的长度为104m，由预应力混凝土箱梁组成，其主跨158m、边跨48m，对称布置，即48+158+48=254m。主跨是由一根主拱和两根以主拱为轴线对称设置的稳定拱组成，拱肋为钢管填充微膨胀混凝土，呈现对称抛物线状；主拱和稳定拱之间设置斜撑，稳定拱之间设置横撑；边跨梁为单箱五室的预应力混凝土箱梁，主跨梁为单箱三室的钢箱梁；主拱共设16对吊杆，吊杆索均由镀锌高强度低松弛预应力钢丝组成，同一断面横桥向布置两根吊索；中央分隔带的桥面设置了系杆，系杆拉索采用PES（FD）系列新型低应力防腐拉索，系杆拉索由253根7mm镀锌高强度低松弛预应力钢丝组成；下部结构共有4个墩台，2个主墩坐落于拱座上，拱座与承台连成一体，基础采用群桩基础，交接墩采用框架墩，桥墩采用双墩柱。

章江大桥现行的桥面为双向6车道，两侧设置人非混行通道，考虑到城市发展过程中的交通需求，改造后的桥面需要双向8车道（人行道改为行车道，简称“人改车”）才能满足目前的通行需求。

2 主桥现状损伤检测及分析

结合主桥结构特征，主要开展上部承重构件（混凝土现浇箱梁、钢箱梁、吊杆、系杆）、下部构造（V墩、交接墩）、桥面及桥梁附属设施等的检测，具体检测结果如下：

2.1 桥面系

（1）拱肋区水泥混凝土桥面存在大面积网状裂缝，裂缝宽约2mm。

（2）21#墩侧拱脚处桥面沥青混凝土局部破损致钢箱梁顶板外露，面积0.09m2；系车辆荷载反复作用所致，对此处钢箱梁顶板及U肋影响较为明显。

（3）伸缩缝均泥沙堆积、止水带轻微破损。

2.2 主梁、吊杆、系杆等主要受力构件

（1）混凝土箱梁各箱室横隔板顶板和合龙段顶板均存在纵向裂缝，宽度主要集中在0.08～0.25mm，属于非结构性裂缝，对主要结构受力无影响。

（2）钢箱梁中多数顶板U肋及其焊缝处存在锈蚀现象，系桥面破损致使雨水渗入，箱室内长期湿度较大，加之养护不到位所致。

2.3 下部结构

主跨侧V腿与主梁底交接处附近局部锈胀露筋，总面积约为7m2。

3 主桥现状静、动载试验与结构性能分析

为判断上述构件缺损对主桥现状承载能力的影响，并为下一步桥梁改造提供技术依据，将对主桥（特殊结构桥梁）进行鉴定性荷载试验。鉴定性试验时，控制荷载采用原设计荷载（通常情况下为当前的使用荷载）或拟改变通行能力所期望的荷载（目标荷载）；通过加载或等效加载评定结构承载能力是否满足改造要求。

3.1 试验方案

3.1.1 静载试验

静载测试内容为控制断面的内力增量情况，每个控制断面的测试包含偏载（左右幅加载车辆均偏向一侧）和中载（左右幅加载车辆均于行车道中心）两种工况。控制断面优先选择活载内力或活载所致变形较大的截面，本桥控制断面为钢箱梁跨中截面、边跨混凝土箱梁跨中截面、主拱肋顶截面以及跨中附近几对吊杆。

依据改造后的设计标准，活荷载形成的各种工况下的最不利效应值，是按下式所定原则进行等效换算而分别得到其所加载车辆数量以及加载车辆轮位布置：

式中：η为静力试验荷载效率系数；Ss为试验荷载作用下控制断面变位或力的计算值；μ为设计取用的冲击系数；S'为改造后设计标准活荷载作用下控制断面变位或力的计算值。

静载试验中校验系数ς（试验荷载作用下的控制断面效应实测值与计算值之比）是评定结构工作状况、确定桥梁整体刚度和承载能力的一个重要指标。

ς等于1，说明实测值与计算值完全相符；

ς小于1，说明结构工作性能较好，承载能力有一定富裕，有安全储备；

ς大于1，说明结构工作性能不理想，应判定为承载能力不足或整体刚度不足。

3.1.2 动载试验

该项目桥梁结构主要荷载为车辆活载，当车辆以一定速度通过桥梁时，引起结构振动，从而造成结构的内力和变形比相同静力荷载作用时要大，这种动力反应是桥梁结构和车辆这两个振动系统相互作用的结果，进行动载试验可对此进行准确判断。

动载试验包括以下两种工况：

（1）跑车试验：在桥面无任何障碍的情况下，用两辆载重汽车（左右幅各一辆）分别以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h匀速通过桥梁；

（2）模态试验：测量桥梁固有振动（自振频率、振型）。动载试验中桥梁自振频率变化不仅能够反映结构损伤情况，而且还能反映结构整体性能和受力体系的改变。通过测试桥梁自振频率的变化，可以分析桥梁结构性能，评定桥梁工作状况。实测自振频率fmi与理论计算fdi的比值按表1规定定性判别桥梁结构的损伤程度，比值越小损伤程度越大。

表1 桥梁自振频率评定标准

3.2 模型建立

结构理论计算采用有限元程序MIDAS和ANSYS进行分别计算，MIDAS模型主要用于确定试验加载效率，ANSYS模型用于模拟实际加载，并提取试验理论数据，计算模型如图1、图2所示。

图1 主桥MIDAS计算模型图

图2 主桥ANSYS计算模型图

3.2.1 单元选择

MIDAS计算模型建立如下：

采用杆系梁、桁架单元，对主桥的各个构件以及主梁进行模拟。

ANSYS计算模型建立要点如下：

（1）满足小变形假定，未计入普通钢筋及预应力钢筋对截面惯性矩增强的作用，未考虑收缩徐变，未考虑混凝土材料非线性对结构的影响；

（2）钢箱梁和混凝土箱梁采用Shell63单元，主拱、稳定拱、横撑、斜撑及V墩采用beam44单元，吊杆、系杆采用Link8单元。

3.2.2 材料参数

模型所使用的其他材料参数根据老桥设计时的相关设定，按规范取值，具体见表2。

表2 主要材料参数

3.2.3 约束条件

部分主墩和边墩则以一般支承方式进行模拟，具体见表3。

表3 约束条件

表3中：DX为纵桥向平动自动度；DY为横桥向平动自动度；DZ为竖向平动自动度分别；RX为绕纵桥向转动自由度；RY为横桥向转动自由度；RZ为竖向转动自由度。0意味着不约束，1意味着约束。

MIDAS模型中的混凝土箱梁和钢箱梁之间采用了弹性连接进行其牛腿的衔接，ANSYS模型中钢箱梁与混凝土箱梁交接处采用节点耦合方式模拟。

3.3 静载试验结果分析

3.3.1 钢箱梁跨中截面

（1）挠度结果分析

偏载时偏载侧挠度较非偏载侧挠度大，而中载时各测点挠度较为均匀；偏载、中载下横向增大系数分别为1.72、1.05，说明偏载效应较明显；规范要求的挠度校验系数是小于1.0，实测的在0.74～0.89，满足要求；残余变形比也满足规范小于0.20的要求，说明钢箱梁结构弹性工作状态良好，现场发现的损伤未对其整体受力造成明显影响。

（2）应力结果分析

规范的应力校验系数要求是小于1.0，而实测的是在0.56～0.94，梁底测点在0.90前后浮动，均满足规范要求；规范要求的残余应力比是小于0.20，实测值也满足，这说明钢箱梁弹性工作状态良好，实桥损伤对其整体受力影响不明显。

3.3.2 边跨混凝土箱梁跨中截面

（1）挠度结果分析

偏载时偏载侧挠度比非偏载侧挠度大，而中载时各测点挠度较为均匀；偏载、中载下横向增大系数分别为1.35、1.09，说明偏载效应较为明显；规范的挠度校验系数要求是小于1.0，而实测值是0.61～0.83，满足要求；残余变形比也满足规范小于0.20的要求，说明混凝土箱梁结构弹性工作状态良好，实桥损伤对其整体受力影响不明显。

（2）应力结果分析

应力校验系数在0.40～0.83之间，满足规范小于1.0的要求；残余应力比也满足规范小于0.20的要求，说明混凝土箱梁结构弹性工作状态良好，现场发现的损伤未对混凝土箱梁整体受力造成明显影响。

3.3.3 吊杆结果分析

吊杆索力校验系数在0.76～0.96之间，满足规范小于1.0的要求，说明现场发现的损伤未对吊杆受力造成明显影响。

3.3.4 主拱肋结果分析

规范的挠度校验系数要求是小于1.0，实测值是0.35～0.92，满足要求；残余变形比也满足规范小于0.20的要求，说明结构弹性工作状态良好，现场发现的损伤未对主拱肋受力造成明显影响。

3.4 动载试验结果分析

3.4.1 冲击系数分析

冲击系数是模拟其桥梁主体结构在无障碍行车情况下的动挠度/动应变时程曲线而具体分析和计算。冲击系数计算见公式（2），实测结果见表3。

式中：fdmax为最大动挠度幅值；fjmax为波形振幅中心轨迹最高峰的值，或是低通滤波取值；fdmax+fdmin为fdmax对应的动挠度波谷值；fp-p为挠度动态分量的峰-峰值。

表3 主桥改造前各车速跑车、刹车下的实测冲击系数

在10～50km/h车速范围内，主桥的实测冲击系数是在0.031～0.161，与车速成正相关关系，其在40km/h以上车速的跑车工况下，中跨的实测冲击系数会稍大于其设计值，这可能是因为其桥面铺装不平整，不影响整体结构受力。

3.4.2 桥梁振动特性分析

章江大桥的主桥振动频率实测值和理论值对比情况见表3。

表3 主桥改造前振动特性实测和理论的对比情况

章江大桥主桥改造前的前四阶振动频率的实测值和理论值的比值在1.044～1.157内，都大于1.00，说明章江大桥主桥的实际刚度与理论要求相吻合。可见，发现的损伤对主桥整体刚度为轻微，无明显影响。

4 结语

改造前在现场发现的损伤只对桥梁耐久性有一定影响，但未对结构造成明显影响，这说明尚存病害对桥梁承载能力无明显影响，目前承载力满足当前交通需求。试验结果表明，章江大桥改造前主桥的各构件挠度、应力和刚度校验系数都满足要求，整体承载能力有一定富余，主要受力构件受力状态良好，这说明模型模拟基本准确，可用于指导下一步改造分析。