曹習(xí)明

(湖南漣邵建設(shè)工程(集團(tuán))有限責(zé)任公司，湖南 婁底 417000)

0 引言

雙曲拱橋結(jié)構(gòu)整體性較差，隨著交通量飛速增長(zhǎng)，大量帶病運(yùn)營(yíng)的雙曲拱橋的安全狀況堪憂。為了保證橋梁的運(yùn)營(yíng)安全，避免跨橋的危險(xiǎn)情況出現(xiàn)，需要對(duì)雙曲拱橋進(jìn)行外觀檢測(cè)和靜動(dòng)力荷載試驗(yàn)，檢驗(yàn)雙曲拱橋在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后、在長(zhǎng)期超載情況下的狀況進(jìn)行評(píng)估，確定其荷載等級(jí)，為橋梁的管養(yǎng)提供決策。

某雙曲拱橋建成于1979年，投入運(yùn)營(yíng)至今已三十年，運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng);橋梁上部構(gòu)造為單孔凈跨徑25 m鋼筋混凝土裝配式雙曲拱，主拱凈矢高為2.5 m，凈矢跨比為1/10。主拱圈橫向11肋10波，兩側(cè)設(shè)懸半波，肋間設(shè)4道橫系梁及3道橫隔板橫向連接，主拱上沿拱頂對(duì)稱設(shè)有6個(gè)腹拱，腹拱墩均為柱式結(jié)構(gòu)，腹拱圈由混凝土預(yù)制塊拼砌而成，下部構(gòu)造為擴(kuò)大基礎(chǔ)配重力式U形橋臺(tái)(見圖1)。

圖1 雙曲拱橋立面圖

1 橋梁常規(guī)檢測(cè)評(píng)估

根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)該橋測(cè)定主要承重構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度、碳化深度、鋼筋銹蝕狀況、混凝土電阻率、混凝土氯離子含量、混凝土保護(hù)層厚度、鋼筋分布等指標(biāo)，并對(duì)規(guī)范規(guī)定的檢查項(xiàng)目逐一進(jìn)行了檢查，為評(píng)定橋梁的使用安全性與耐久性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等檢查。

通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，橋梁的主要病害是橋面出現(xiàn)坑洼，影響橋面的平順;副拱圈開裂;拱上填料滲水;拱肋拱腳處混凝土脫落，露筋銹蝕、拱頂濕接頭脫空(見圖2，圖3)，嚴(yán)重影響了橋梁的整體性和結(jié)構(gòu)承載能力。通過(guò)橋梁專項(xiàng)檢測(cè)，測(cè)區(qū)的混凝土強(qiáng)度、氯離子含量、碳化深度、電阻率、鋼筋的布置情況均滿足規(guī)范的要求，處在較好的狀態(tài)。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)檢算，橋梁現(xiàn)狀承載能力不能滿足原設(shè)計(jì)荷載汽—20級(jí)，掛—100的荷載正常使用極限承載能力要求，也不能滿足現(xiàn)行城市橋梁荷載城—B級(jí)的正常使用極限承載能力要求。

為了確定橋梁的承載能力，對(duì)橋梁進(jìn)行靜動(dòng)力荷載試驗(yàn)，以確定橋梁的正常使用極限承載能力。

圖2 主拱肋病害示意圖

圖3 4號(hào)拱肋拱頂空洞病害

2 橋梁靜載試驗(yàn)研究

根據(jù)大橋的設(shè)計(jì)荷載，結(jié)合城市橋梁荷載規(guī)范、大橋目前的車流狀態(tài)及道路狀況，確定試驗(yàn)荷載為城—B。根據(jù)大橋的竣工資料，以及橋梁的檢查信息，采用橋梁博士建立大橋的單片拱肋平面桿系模型，拱上填料及橋面鋪裝剛度取主拱肋的1/1 000，僅考慮其重力荷載及荷載傳遞作用。各拱肋的橫向分布系數(shù)采用彈性支撐連續(xù)梁法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)有限元模型圖

采用檢算荷載城—B作為試驗(yàn)基準(zhǔn)荷載，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)橋梁控制截面的設(shè)計(jì)最大內(nèi)力值，采用等效荷載的原則，計(jì)算出試驗(yàn)等代荷載。根據(jù)計(jì)算，本橋的試驗(yàn)荷載效率見表1，從表1中可以看出試驗(yàn)加載效率滿足《試驗(yàn)方法》要求。

表1 試驗(yàn)荷載效率表

大橋荷載試驗(yàn)工況包括:

1)拱頂控制截面最大正彎矩偏載;

2)0號(hào)臺(tái)側(cè)拱腳控制截面最大負(fù)彎矩偏載;

3)0號(hào)臺(tái)側(cè)拱腳控制截面最大負(fù)彎矩對(duì)稱加載;

4)拱腳最大水平推力偏載。本文限于篇幅，主要討論工況1。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，1號(hào)拱肋側(cè)拱肋病害較為嚴(yán)重，因此選擇拱頂最大正彎矩偏載工況設(shè)定在偏1號(hào)拱肋邊。采用四輛三軸重車進(jìn)行分兩級(jí)加載，同時(shí)觀測(cè)拱頂?shù)膽?yīng)力和撓度。加載圖如圖5所示，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖6所示。

圖5 工況1加載示意圖

圖6 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

根據(jù)測(cè)到的應(yīng)力和撓度數(shù)據(jù)，和理論值進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)果如表2，表3所示。

表2 拱頂截面肋底鋼筋應(yīng)力結(jié)果表 MPa

表3 拱頂截面撓度結(jié)果表 mm

由表2可知，由于拱頂?shù)臐窠宇^空洞存在，拱肋的剛度很小，本該由4號(hào)拱肋承擔(dān)的荷載大部分轉(zhuǎn)移到3號(hào)和5號(hào)及其他拱肋承擔(dān)，4號(hào)拱肋的校驗(yàn)系數(shù)僅為相鄰拱肋的2/5左右。由表3可知，3號(hào)～6號(hào)拱肋的校驗(yàn)系數(shù)均大于1，但大橋的整體協(xié)調(diào)變形能力較好。

結(jié)合規(guī)范，在最大試驗(yàn)荷載作用下，試驗(yàn)橋跨控制截面最大應(yīng)力的校驗(yàn)系數(shù)小于《試驗(yàn)方法》規(guī)定的1.10，但最大撓度的校驗(yàn)系數(shù)大于《試驗(yàn)方法》規(guī)定的1.10，表明在試驗(yàn)荷載作用下該橋強(qiáng)度滿足而剛度不滿足原試驗(yàn)基準(zhǔn)的正常使用要求。拱肋拱頂?shù)慕宇^空洞的存在嚴(yán)重影響了大橋的承載能力。

3 大橋動(dòng)荷載試驗(yàn)研究

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力除與橋梁本身及荷載的動(dòng)力特性有關(guān)外，還與橋面平整度及車輛運(yùn)行狀況等因素有關(guān)，所以通過(guò)動(dòng)力荷載試驗(yàn)測(cè)定結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)反應(yīng)，可以判斷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

動(dòng)態(tài)測(cè)試采用的主要儀器有:AZ－108型動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、AZ－808型放大及濾波器、TS3832型動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀、筆記本電腦、CRAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析軟件系統(tǒng)、941－B型垂直向振動(dòng)傳感器。動(dòng)載試驗(yàn)選用一輛靜載試驗(yàn)用重車作為激振設(shè)備，車輛總重約為30 t。

在橋梁第1跨(0號(hào)臺(tái)～1號(hào)墩)八分跨各截面處各布置一個(gè)模態(tài)測(cè)點(diǎn)，共布置9個(gè)模態(tài)測(cè)點(diǎn);在橋梁第1跨的0.5L截面處布置一個(gè)動(dòng)位移測(cè)點(diǎn)，共布置1個(gè)動(dòng)位移測(cè)點(diǎn)進(jìn)行跑車、跳車和剎車測(cè)試。布置示意圖如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)橋跨模態(tài)測(cè)點(diǎn)及動(dòng)位移測(cè)點(diǎn)布置圖

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，得到各種工況下的沖擊系數(shù)表，如表4所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出，大橋跑車時(shí)沖擊系數(shù)最大達(dá)到1.30，結(jié)果表明實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)偏大，分析其原因主要是由于橋面鋪裝層嚴(yán)重破損造成重車行駛時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊。

表4 不同車速下沖擊系數(shù)觀測(cè)結(jié)果表

通過(guò)大橋的脈動(dòng)試驗(yàn)，進(jìn)行模態(tài)參數(shù)的試驗(yàn)分析，得到大橋前兩階的模態(tài)結(jié)果，見表5，通過(guò)表5數(shù)據(jù)分析，可以得知，實(shí)測(cè)值與理論校驗(yàn)系數(shù)之比為0.92，小于規(guī)范的參考值1.2，表明該橋上部結(jié)構(gòu)剛度整體上處于較差狀態(tài)。

表5 大橋振動(dòng)參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)橋梁的靜動(dòng)力荷載試驗(yàn)，對(duì)舊雙曲拱橋的病害進(jìn)行了檢查，根據(jù)檢查結(jié)果，針對(duì)性的進(jìn)行了橋梁靜力和動(dòng)力荷載試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)得到如下結(jié)論:

1)在橋梁的病害中，控制截面的空洞和裂縫對(duì)橋梁的整體剛度和承載能力危害巨大，如有發(fā)現(xiàn)須盡快維修加固;

2)測(cè)到的模態(tài)頻率與理論頻率比較小，大橋的整體剛度偏低，需要將大橋的裂縫和空洞修復(fù)后再次試驗(yàn)，大橋的動(dòng)力性能測(cè)試結(jié)果反映了橋梁的目前狀態(tài)。

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