肖忠輝

（核工業(yè)長沙中南建設集團有限公司，湖南 長沙）

1 工程概況

項目位于湖南省長沙市，橋結構型式為主跨采用高為90 m 的懸鏈線鋼筋混凝土箱型拱，拱的矢跨比為1/6，拱上建筑為空腹式，兩端邊跨各為二孔13 m簡支“T”型梁，主墩采用空心砼墩內(nèi)填毛石及砂礫石，邊跨為框架式橋墩和重力式橋臺。其主要技術標準：橋長156.12 m，設計荷載：汽-20 t、掛100 t；橋面凈寬：9 m=1 m（人行道）+7 m（行車道）+1 m（人行道）；行車道數(shù)為雙向兩車道；洪水頻率：1/100，相應洪水流量：4 100 m3/s。為確保大橋在運營、養(yǎng)護過程中結構的安全，對大橋進行橋梁狀態(tài)檢測及荷載試驗，并在此基礎上進行加固設計。

2 橋梁狀態(tài)檢測

根據(jù)橋梁結構形式，參照《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21）[1]，對該橋部件進行劃分和數(shù)量統(tǒng)計，并編號。如縱向編號示意圖見圖1。

圖1 縱向編號示意圖

通過以目測觀察結合儀器觀測，對橋梁主跨、墩臺基礎、橋墩、支座、河床、橋面鋪裝、人行道、伸縮縫、排水系統(tǒng)和欄桿及護欄的外觀狀態(tài)、鋼筋銹蝕、混凝土強度及碳化深度、保護層厚度、結構變位進行檢查，根據(jù)橋梁現(xiàn)場檢測結果，主要病害為墩基礎破損、剝落、松動，墩蓋梁混凝土剝落露筋、鋼筋銹蝕，梁混凝土剝落、主筋裸露銹蝕等，依據(jù)橋梁技術狀況等級評定、單向控制指標評定方法。邊跨主要部件上部承重部件技術狀況評分達到5 類，支座、橋墩技術狀況評分均達到4 類。采用橋梁狀況指數(shù)BCI 進行綜合評定時，該橋邊跨技術狀況等級評定為4 類。

3 靜載試驗

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21）[2]試驗荷載選用汽車荷載，在靜載試驗汽車荷載作用下，對受檢橋跨結構控制孔跨在最不利截面處的結構反應進行監(jiān)測：①橋跨典型位置處的撓度；②橋跨典型截面處的應力分布；③橋梁結構的彈性恢復特性。

根據(jù)橋梁工程的現(xiàn)狀、檢測目的、已受荷載的狀態(tài)和相關規(guī)范規(guī)程，根據(jù)Midas/Civil 建立有限元模型在設計荷載作用下的進行分析成橋后的橋跨在最不利的跨徑上進行試驗，確定結構在設計荷載作用下產(chǎn)生最大結構效應（變形和內(nèi)力）的截面位置，最終確定最大變形和最大彎矩的截面位置均為第2 跨跨中截面（正彎矩）、第3 跨拱頂截面（正彎矩）、第3 跨拱腳截面（負彎矩），因此將此3 截面作為靜載試驗的控制截面。按照設計、試驗荷載在控制截面處所產(chǎn)生的結構效應（含變形和內(nèi)力）等效的原則，并結合現(xiàn)場的試驗條件，計算確定所需試驗荷載大小及其作用方式。本次靜載試驗荷載采用車輛直接加載，等效荷載加載車輛使用3 軸載重卡車，前后軸距5.0 m，中后軸距1.4 m，試驗車輛單車總重為400 kN，單車前軸、中軸和后軸重分別占總重的20%、40%和40%。按照荷載對結構產(chǎn)生的效應相同為原則，確定等效試驗荷載的加載工況。根據(jù)橋跨結構試驗檢測的目的并考慮布點、布線、數(shù)據(jù)采集、測試控制，最終得到各工況控制截面撓度對比見圖2～圖3。

圖2 1-1 截面工況1 撓度對比圖

圖3 2-2 截面工況2 撓度對比圖

大橋主跨在各測試工況荷載作用下，第3 跨各撓度測點的撓度校驗系數(shù)為0.91～1.03，應變測點的應變校驗系數(shù)為0.85～1.03，與JTG/T J21 中的撓度校驗系數(shù)限值（0.5～1.0）及應變校驗系數(shù)（0.5～0.9）限值的規(guī)定不符；相對殘余變位最大為21.4%，應變測點的相對殘余應變最大為21.2%，均大于JTG/T J21 規(guī)定的限值（20%），表明受檢結構彈性狀態(tài)欠缺，處于非彈性工作狀態(tài)。因此大橋主跨結構剛度不滿足汽-20 級荷載的使用要求。

大橋邊跨在各測試工況荷載作用下，第2 跨各撓度測點的撓度校驗系數(shù)為0.95～1.03，應變測點的應變校驗系數(shù)為0.75～0.98，與JTG/T J21 中的撓度校驗系數(shù)限值（0.5～0.9）及應變校驗系數(shù)（0.4～0.8）限值的規(guī)定不符；相對殘余變位最大為22.8%，應變測點的相對殘余應變最大為21.5%，均大于JTG/T J21 規(guī)定的限值（20%），表明結構彈性狀態(tài)欠缺，處于非彈性工作狀態(tài)。因此大橋邊跨結構剛度不滿足汽-20 級荷載的使用要求。

4 動載試驗

本項目采用的橋梁結構動力響應測試有：無障礙行車（跑車）試驗和有障礙行車（跳車）試驗；采用的橋跨結構自振特性測試有：無障礙行車（跑車）試驗、有障礙行車（跳車）試驗和環(huán)境隨機激振（脈動）試驗。無障礙行車、有障礙行車、制動試驗采用與本項目靜載試驗的加載車輛相同的載重車輛。

建立橋梁有限元模型，計算大橋的自振特性（自振頻率和振型），其中第3 跨第一階陣型圖如圖4 所示。根據(jù)橋跨結構試驗檢測的目的并考慮布點、布線、數(shù)據(jù)采集、測試控制得出實測數(shù)據(jù)。

圖4 第3 跨第一階振型圖

河大橋主跨理論計算豎向一階頻率值與實測值分別為3.01 Hz 和2.93 Hz，實測橋跨基頻小于橋梁理論頻率，表明橋梁結構的實際剛度小于理論剛度，橋跨結構剛度不滿足要求；主跨實測橋梁結構阻尼比為0.02，通常橋梁結構的阻尼比在0.01～0.1 之間，該橋結構阻尼比正常，表明橋梁結構傳遞振動能力良好。根據(jù)沖擊系數(shù)的實測值來評價橋梁結構的行車性能，大橋主跨結構沖擊系數(shù)為最大值為1.184，超出理論沖擊系數(shù)1.179，表明橋梁結構的行車性能不佳。

大橋邊跨第2 跨理論計算豎向一階頻率值與實測值分別為8.96 Hz 和8.79 Hz，實測橋跨基頻小于橋梁理論頻率，表明橋梁結構的實際剛度小于理論剛度，橋跨結構剛度不滿足要求。大橋邊跨第2 跨結構阻尼比為0.02，通常橋梁結構的阻尼比在0.01～0.1之間，該橋結構阻尼比正常，表明橋梁結構傳遞振動能力良好。根據(jù)沖擊系數(shù)的實測值來評價橋梁結構的行車性能，李家峽水電站尾水下游黃河大橋邊跨第2跨結構沖擊系數(shù)為最大值為1.244，未超出理論沖擊系數(shù)1.372，說明橋梁結構的行車性能良好。

依據(jù)《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21），通過橋梁外觀檢測判定：大橋主跨現(xiàn)階段總技術狀況等級評定為4 類，即影響承載能力，不能保證正常使用；大橋邊跨現(xiàn)階段總技術狀況等級評定為4類，即主要構件有大的缺損，嚴重影響橋梁使用功能。依據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21），通過橋梁靜、動載試驗判定：大橋主跨、邊跨現(xiàn)階段承載能力不滿足正常設計荷載的使用要求。依據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG 5120）3.8.3 條規(guī)定[3]，對技術狀況等級為4類的橋梁養(yǎng)護對策為：修復養(yǎng)護、加固或改造；及時進行交通管制，必要時封閉交通。因此建議建議按《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG 5120）規(guī)定對主跨結構按處理意見進行修復養(yǎng)護，修復后繼續(xù)維持車輛限行管理（限制總重超過15 t 且單軸超過10 t 的車輛通行）；對邊跨結構按處理意見進行改造或加固，處理后繼續(xù)維持車輛限行管理；在修復、加固前應加密對大橋的日常巡查和定期檢查，監(jiān)測大橋狀態(tài)，必要時應及時封閉交通。

5 加固設計

根據(jù)大橋橋梁檢測與評估報告，需對接縫邊角剝落、出現(xiàn)坑洞、鋪裝面層磨光脫皮露骨、出現(xiàn)縱橫向裂縫、蓋梁混凝土開裂、剝落露筋、鋼筋銹蝕、臺身混凝土個別表面磨損、粗集料顯露等進行缺陷修復；伸縮縫堵塞、不能自由變形，支座老化變形、剪切超限，對0#～5#臺及墩支座、伸縮縫進行更換。其中伸縮縫安裝溫度需控制在15～20 ℃，且伸縮縫預留槽內(nèi)采用C50鋼纖維防水砼，每立方米砼內(nèi)摻入80 kg 鋼纖維。伸縮縫更換圖如圖5 所示。

圖5 伸縮縫平面構造圖

針對大橋主跨剛度不足、承載能力不滿足正常設計荷載的使用要求的問題，對主跨混凝土箱型梁梁肋部分沿縱向分別新增單工字鋼HN400x200 和雙工字鋼HN400x200，并沿主跨縱向每1.5 m 設置橫向工字鋼HN400x200，所有新增工字鋼均通過自鎖錨桿與原混凝土箱梁連接，具體詳圖6 所示。

圖6 主跨加固示意圖

針對大橋邊跨剛度不足、承載能力不滿足正常設計荷載的使用要求的問題，對T 型混凝土梁進行包鋼加固，截面增高200 mm；并在橫隔板處對T 型混凝土梁進行滿包鋼加固，并在橫隔板底部新增12 mm 鋼板。所有新增鋼板均通過對穿植筋或植筋與原混凝土結構連接，具體詳見圖7 所示。

圖7 邊跨加固示意圖

6 結論

（1） 本項目結構類型為懸鏈線鋼筋混凝土箱型拱橋，針對此橋設計靜載與動載試驗并實施，建立相應的有限元模型，確定了該橋的剛度不足，且在正常設計荷載下承載力不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（2） 針對伸縮縫堵塞、不能自由變形現(xiàn)象，給出一種造價低、便于施工、工期短的伸縮縫改造方法。

（3） 對于該橋主跨和邊跨的剛度不足、承載能力不滿足正常設計荷載的使用要求的問題，對混凝土梁進行新增鋼梁和包鋼的方案，對結構進行加固，確保結構剛度與承載力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。