基于橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)的下承式鋼管混凝土系桿拱橋工作狀況分析

■王達(dá)龍

（福建省交通科研院有限公司， 福州 350005）

下承式鋼管混凝土系桿拱橋采用無(wú)粘結(jié)鋼絞線作為系桿， 以承擔(dān)恒載作用下的拱腳水平推力。該結(jié)構(gòu)類型的橋梁橋面較寬、建筑高度較低、橋面跨度較大且橋下凈空利用率較高。 此結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮出不同材料的優(yōu)勢(shì)，且外部為靜定結(jié)構(gòu)，地基和溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)影響比較小，是大跨度拱橋較理想的結(jié)構(gòu)形式，因此適用于平原地區(qū)、跨線工程等地形上的推廣和應(yīng)用。

1 工程概述

本文工程實(shí)例為某城區(qū)主干道上的一座下承式鋼管混凝土系桿拱橋，大橋全長(zhǎng)488 m，位于直線內(nèi)，兩岸引橋上部構(gòu)造采用預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁。 橋梁通過(guò)現(xiàn)澆連續(xù)接頭及張拉負(fù)彎矩鋼束形成連續(xù)體系，橋跨布設(shè)成一聯(lián)5×30 m 雙幅橋；主橋上部構(gòu)造采用下承式鋼管混凝土系桿拱，拱墩固結(jié)，橋跨布設(shè)成（51+80+51）m 雙幅橋。 主橋與引橋之間設(shè)有伸縮量D-160 型伸縮縫， 兩橋臺(tái)處設(shè)有伸縮量D-80 型伸縮縫，主墩處拱內(nèi)側(cè)設(shè)有伸縮量D-40 型伸縮縫。下部構(gòu)造：引橋橋墩采用φ140 鋼筋砼三柱式墩身，φ150 鋼筋砼鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；兩岸橋臺(tái)為肋式臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。 主橋橋墩采用薄壁門(mén)式框架墩，φ200 鋼筋砼鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。 橋梁主橋橋型布置圖及測(cè)試截面示意圖如圖1 所示。

圖1 橋梁主橋橋型布置圖及測(cè)試截面示意圖

2 外觀缺損狀況檢查結(jié)果

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，按照J(rèn)TG/T H21-2011《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》將全橋分為橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)等部位開(kāi)展缺損狀況檢查，檢查結(jié)果如下：（1）上部結(jié)構(gòu)：主橋鋼管混凝土拱肋上、下弦管的頂部和側(cè)壁均存在混凝土脫空現(xiàn)象，底部局部存在脫空現(xiàn)象；拱肋表面共19 處局部銹蝕、漆皮剝落。 主橋鋼管混凝土拱肋上、下弦管的頂部和側(cè)壁均存在混凝土脫空現(xiàn)象， 底部局部存在脫空現(xiàn)象；拱肋表面共19 處局部銹蝕、漆皮剝落。 主拱橫撐表面共5 處局部銹蝕，1 處較大面積銹蝕。主橋所有系桿錨頭保護(hù)罩均存在局部銹蝕、 油脂滲漏現(xiàn)象；所有中拱系桿兩端外包鋼管均銹蝕。 主橋橫梁共出現(xiàn)62 處露筋，長(zhǎng)0.05～0.50 m；1 處混凝土掉塊露筋，面積0.08 m2；2 處混凝土麻面， 總面積0.88 m2。 主橋行車(chē)道板共出現(xiàn)63 處露筋， 長(zhǎng)0.03～0.40 m；40 處混凝土掉塊露筋，總面積1.795 m2；7 處混凝土麻面露筋，總面積2.27 m2。 主橋加勁縱梁共出現(xiàn)318 處露筋，長(zhǎng)0.03～0.50 m；80 處混凝土掉塊露筋，總面積3.7925 m2；21 處 混 凝 土 麻 面 露 筋， 總 面 積1.73 m2；主橋吊桿大部分都出現(xiàn)上、下錨頭保護(hù)罩局部銹蝕、油脂滲漏，下錨頭保護(hù)罩內(nèi)積水現(xiàn)象；13根吊桿下錨頭保護(hù)罩內(nèi)黃油明顯變質(zhì)；10 根吊桿下錨頭保護(hù)罩內(nèi)黃油較少。 （2）下部結(jié)構(gòu)：主橋橋墩共出現(xiàn)1 條豎向裂縫流白灰，長(zhǎng)2.00 m；56 處露筋，長(zhǎng)0.10～2.00 m。 （3）橋面系：主橋橋面鋪裝混凝土存在較大面積磨損嚴(yán)重、外露粗骨料現(xiàn)象，橫梁對(duì)應(yīng)橋面鋪裝均出現(xiàn)橫向開(kāi)裂現(xiàn)象， 局部有網(wǎng)裂、縱向開(kāi)裂、破損、露筋等現(xiàn)象。 全橋人行道護(hù)欄和防撞護(hù)欄底座均存在局部輕微銹蝕現(xiàn)象；護(hù)欄欄桿存在局部銹蝕現(xiàn)象；個(gè)別位置存在欄桿脫落和豎撐缺失現(xiàn)象。 主橋系桿、吊桿錨頭保護(hù)罩銹蝕、油脂滲漏主要發(fā)生原因是錨頭處凹槽造成積水或構(gòu)件材質(zhì)問(wèn)題，可能造成構(gòu)件脫落甚至斷裂，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行除銹處理，必要時(shí)更換受損構(gòu)件。 鋼管拱存在混凝土脫空現(xiàn)象指鋼管與核心混凝土在界面處分離或混凝土內(nèi)部出現(xiàn)不密實(shí)、脫空現(xiàn)象，主要原因是軸向壓力、 溫度和混凝土施工工藝對(duì)橋梁的受力模式、承載力和剛度有影響，可能降低橋梁安全性和使用壽命，可使用灌漿等方法處理脫空現(xiàn)象。 該橋總體技術(shù)狀況等級(jí)依JTG/T H21-2011《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)定為3 類。

3 結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

3.1 橋面線形

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，引橋和主橋?qū)崪y(cè)橋面線型與設(shè)計(jì)線型的對(duì)比如圖2 所示。 由圖2 可知，扣除橋面南北側(cè)32.0 cm 高差（橫坡2%），北幅橋面南、北側(cè)線型高差最大值為6.7 cm，南幅橋面南、北側(cè)線型高差最大值為5.6 cm，考慮到測(cè)量誤差、施工誤差等影響因素，兩幅橋面均未產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、突變等異常現(xiàn)象；實(shí)測(cè)橋面線型與設(shè)計(jì)線型基本吻合。

圖2 橋面實(shí)測(cè)線型與設(shè)計(jì)線型對(duì)比

3.2 主橋拱軸線型

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)， 主橋?qū)崪y(cè)拱軸線線型如圖3 所示。 由圖表可知，兩幅主橋兩側(cè)拱肋拱軸線均未發(fā)生突變，線型基本一致。

圖3 主橋拱肋實(shí)測(cè)線型

3.3 材質(zhì)強(qiáng)度和碳化狀況

根據(jù)規(guī)范對(duì)上述所選取的構(gòu)件采用回彈法對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)回彈測(cè)區(qū)進(jìn)行碳化深度檢測(cè)，回彈檢測(cè)的強(qiáng)度用碳化深度結(jié)果進(jìn)行修正。檢測(cè)結(jié)果表明， 推定強(qiáng)度勻質(zhì)系數(shù)Kbt 均大于0.95，各構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)度均為1。

3.4 鋼筋保護(hù)層厚度

選取主橋橫梁4 片、橋墩2 個(gè)，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行鋼筋保護(hù)層厚度的檢測(cè)，并計(jì)算得出鋼筋保護(hù)層厚度特征值Dne。 所測(cè)4 片主橋橫梁的鋼筋保護(hù)層厚度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)評(píng)定標(biāo)度為2， 表明鋼筋保護(hù)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有輕度影響；所測(cè)2 個(gè)橋墩的鋼筋保護(hù)層厚度評(píng)定標(biāo)度為1， 表明鋼筋保護(hù)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性影響不明顯。

3.5 鋼管焊縫質(zhì)量

選取4 根鋼管，對(duì)鋼管焊縫外觀、寬度、表面余高等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)。 所測(cè)4 片鋼管焊縫表面均無(wú)裂紋、氣孔、弧坑和灰渣等缺陷，焊縫表面光滑均勻，焊道與母材平穩(wěn)過(guò)渡，無(wú)咬邊、錯(cuò)邊、未滿焊等現(xiàn)象。焊縫寬度均焊出坡口邊緣2～3 mm。焊縫余高均符合二類焊縫標(biāo)準(zhǔn)。 檢測(cè)結(jié)果表明該橋鋼管焊縫質(zhì)量良好。

3.6 吊桿索力

選取4 根吊桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，實(shí)測(cè)頻率及其與2015 年檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比如表1 所示，SA5# 和SB7#兩根吊桿的實(shí)測(cè)加速度時(shí)程曲線圖和頻譜圖如圖4所示。 檢測(cè)結(jié)果表明，此次檢測(cè)吊桿所得一階頻率與2015 年檢測(cè)結(jié)果較為接近，吊桿索力無(wú)明顯變化。

表1 吊桿頻率實(shí)測(cè)結(jié)果

圖4 吊桿實(shí)測(cè)加速度時(shí)程曲線圖和頻譜圖

4 荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 橋梁靜載試驗(yàn)

4.1.1 檢驗(yàn)對(duì)象及靜載試驗(yàn)工況

結(jié)合外觀檢查結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，主橋選定2 跨作為試驗(yàn)對(duì)象。 根據(jù)該橋竣工圖紙、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)以及檢測(cè)結(jié)果，應(yīng)用有限元軟件對(duì)橋梁進(jìn)行建模計(jì)算，模型如圖5 所示。 試驗(yàn)主要測(cè)試截面如圖6 所示，試驗(yàn)工況如表2 所示。 試驗(yàn)用掛車(chē)-120，汽車(chē)-超20 活載產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值來(lái)進(jìn)行等效換算，從而得出試驗(yàn)所需荷載、車(chē)輛輪位及加載車(chē)輛等[3]。

圖5 下承式鋼管混凝土系桿拱計(jì)算模型圖

表2 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

4.1.2 測(cè)點(diǎn)布置

（1）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。 主橋控制截面為南幅第6 跨拱頂截面（SA1）、大里程側(cè)拱腳截面（SA2）、5# 橫梁截面（H1）、第7 跨拱頂截面（SB1）、L/4 拱截面（SB2）、小里程側(cè)拱腳截面（SB3）、7# 橫梁截面（H2）。 在主橋拱肋各控制截面的頂部、底部以及側(cè)面粘貼鋼筋應(yīng)變片，用DH3815 數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量；在主橋橫梁控制截面底部粘貼混凝土應(yīng)變片， 使用型號(hào)DH3815 數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量。 各控制截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖7 所示。（2）撓度測(cè)點(diǎn)。主橋控制截面為南幅第6 跨拱頂截面（SA1）、5# 橫梁對(duì)應(yīng)橋面、第7 跨拱頂截面（SB1）、第7 跨L/4 和3L/4 拱截面（SB2 和SB2′）、7#橫梁截面對(duì)應(yīng)橋面。在主橋拱肋各控制截面底部吊裝塔尺，采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量；在主橋橫梁對(duì)應(yīng)的橋面布設(shè)銦鋼尺，采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量。各控制截面撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖6 所示。 （3）裂縫觀測(cè)。觀測(cè)各試驗(yàn)工況作用下相應(yīng)截面的裂縫開(kāi)展情況。

圖6 控制截面撓度測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖7 控制截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4.1.3 橋梁靜載結(jié)果及分析

（1）撓度：依據(jù)規(guī)程[1]，主橋南幅各控制截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.79～0.93，處于該規(guī)程規(guī)定的常值范圍0.75～1.00；相對(duì)殘余撓度最大值為13.8%，均小于該規(guī)程的規(guī)定值20%。 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，主橋南幅剛度總體上滿足設(shè)計(jì)要求， 結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。 （2）應(yīng)變：依據(jù)規(guī)程[1]，主橋南幅各控制截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.79～0.95，各控制截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均處該規(guī)程規(guī)定的常值范圍0.75～1.00；相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為17.4%， 均小于該規(guī)程的規(guī)定值20%。（3）裂縫：各試驗(yàn)工況作用下各試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)相應(yīng)控制截面均未見(jiàn)新裂縫產(chǎn)生。

4.2 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)

在橋梁位置附近無(wú)規(guī)則振源的情況以及橋面無(wú)交通荷載的情況下，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋梁位置處地脈動(dòng)、風(fēng)荷載等隨機(jī)荷載激振而引起的小微橋跨結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，分析橋跨結(jié)構(gòu)自振特性，測(cè)試橋跨結(jié)構(gòu)阻尼比和自振頻率[2]。

4.2.1 豎向自振特性試驗(yàn)

在主橋南幅中跨四分點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橋面人行道側(cè)位置布置DH610V 豎向拾振器。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)FFT 分析、模態(tài)分析，橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)豎向1 階模態(tài)參數(shù)及其與理論值的比較如圖8 所示，豎向測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖和頻譜圖如圖9 所示。 試驗(yàn)結(jié)果顯示，該橋?qū)崪y(cè)豎向1 階自振頻率為2.25 Hz， 大于理論計(jì)算值2.03 Hz，結(jié)果表明振型理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果相同。 該橋橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)豎向1 階頻率值和理論值的比值為1.11，根據(jù)規(guī)程[3]橫向自振頻率評(píng)定標(biāo)度為1。 根據(jù)結(jié)果，該橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度滿足要求。

圖8 實(shí)測(cè)與理論豎向自振頻率及振型圖比較

圖9 豎向測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖和跨中測(cè)點(diǎn)頻譜圖

4.2.2 橫向自振特性試驗(yàn)

在主橋南幅各跨拱肋L/4、拱頂、3L/4 截面的頂面布置DH610H 橫向拾振器。實(shí)測(cè)的信號(hào)經(jīng)FFT 分析、模態(tài)分析，該橋橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)橫向1 階模態(tài)參數(shù)及其與理論值的比較如圖10 所示， 橫向測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖和頻譜圖如圖11 所示。 試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋橫向1 階自振頻率為0.69 Hz， 大于理論計(jì)算值0.63 Hz，實(shí)測(cè)與理論振型一致。 實(shí)測(cè)橫向1 階頻率值與理論值的比值為1.10，根據(jù)規(guī)程[2]該橋橫向自振頻率的評(píng)定標(biāo)度為1。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出，該橋結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度滿足規(guī)程要求。

圖10 實(shí)測(cè)與理論橫向自振頻率及振型圖比較

圖11 橫向測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖和跨中測(cè)點(diǎn)頻譜圖

4.3 結(jié)論

綜上所述， 該橋總體技術(shù)狀況評(píng)定為3 類，橋跨結(jié)構(gòu)承載能力目前能夠滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)（掛-120，汽超-20）要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究采用大型有限元計(jì)算軟件建立理論模型，進(jìn)行橋梁外觀檢查、結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)和橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)，從而評(píng)價(jià)某下承式鋼管混凝土系桿拱橋工作性能是否滿足要求，可為該橋今后的養(yǎng)護(hù)加固提供技術(shù)支持，也可為其他同類型橋梁的工作性能評(píng)價(jià)提供參考借鑒。