刚架拱桥的病害分析及承载力评定

黄洪猛，刘汝生，魏相君

（1.西北民族大学，甘肃兰州 730124；2.济南铁路局设计所，山东济南 250000）

0 前言

刚架拱桥属于有推力的高次超静定结构[1]，由于其构件少、自重轻、造型美观、经济实用、受力合理等特点，在20世纪80～90年代得到广泛使用。但是刚架拱桥的整体性较差，横向联系较薄弱，近年来，随着行车密度及车辆载重的不断增大、桥梁自身的不断老化、破损等原因，刚架拱桥已不能满足现行运营荷载的要求，并且出现了大量病害，因此有必要对刚架拱桥的病害原因进行分析，对承载力进行评定，为后期加固提供技。

1 工程背景

兰州市某刚架拱桥建于1986年，桥梁全长83.3 m，桥面净空：净-7 m+2×0.75 m人行道。主跨上部结构为1-40 m刚架拱桥，由3块钢筋混凝土拱片组成，设计净矢高为5.0 m，矢跨比为1/8，拱片截面为矩形。每个拱片由拱腿(直线段),实腹段(底弧为二次抛物线)、弦杆、斜撑组成，拱片间用14道现浇横系梁联结,各构件预制吊装后现浇混凝土接头，拼装预制微弯板后现浇铺装层形成现在的桥面。原设计荷载为汽-20，挂—100，抗震设防烈度7度，地震动峰值加速度为0.15 g。刚架拱桥的总体布置见图1。

图1 刚架拱桥总体图示

2 病害分析

2009年12月对该桥进行详细的表观状态检测，通过现场状态检查，主要病害表现为：（1）桥面铺装出现大面积坑槽、积水，桥面碎石剥离；（2）伸缩缝卡塞、失效；（3）微弯板接缝开裂、砂浆剥落、泛碱、外缘劣化，并且微弯板出现了横向裂缝，有钢筋锈蚀现象；（4）拱片混凝土碳化深度较大，平均大于6 mm，原设计强度低；（5）个别横系梁与拱片连接处底部出现严重开裂现象。

造成桥梁出现以上病害的主要原因为：（1）原桥面板混凝土强度低，配筋少，微弯板厚度不足，造成桥面铺装层刚度不足，重载车辆作用下导致桥面铺装破坏；（2）桥面不平整放大了车辆活载对桥梁结构的冲击作用，加速了对桥梁构件的损伤；（3）微弯板的侧向水平推动作用使横系梁受拉导致开裂，在长期荷载作用下横系梁的横向连接功能减弱，导致桥梁横向刚度降低；（4）桥面渗水导致微弯板开裂、锈蚀，降低了桥梁承载力。

3 荷载试验[2]

为了更进一步了解刚架拱桥是否存在隐蔽病害，结构的整体受力性能和动力性能是否满足现行运营要求，2009年12月按照公路-Ⅱ荷载要求对桥梁进行荷载试验，测试控制截面的应变、位移及结构的动力特性、动力响应，并与理论计算值进行对比，从而对桥梁的承载能力进行评定。

3.1 荷载试验方案

经计算分析，跨中截面、大节点位置截面（约为L/4截面）、拱脚截面为结构的最不利位置，因此静载试验只对这三个控制截面进行最不利加载，分别测试各工况下的应变和位移。

现场静载试验荷载依据公路-Ⅱ设计荷载等效为4辆重车进行加载，分别为370 kN、348 kN、369 kN、328 kN，通过调整各车的间距，使控制截面的试验荷载效率满足0.95～1.05的要求[3]。应变测点共24个，位移测点共6个。跨中截面的最不利加载采用中载和偏载，大节点位置截面和拱脚截面最不利加载采用偏载。

为了检验桥梁的动力性能及整体性能，对刚架拱桥进行了脉动试验和跑车试验，测试上部结构的动力特性及动力响应。其中脉动试验是在上部结构跨中布置横、竖向加速度传感器，测得脉动信号，通过频谱分析，求得结构的自振特性；跑车试验是让静载试验车辆分别以20 km/h、30 km/h、40 km/h的速度匀速通过桥梁，通过在跨中布置动应变测点，测试应变时程曲线，从而求得在跑车下的桥梁动力反应。

3.2 有限元理论分析

采用桥梁结构分析有限元软件Midas Civil对桥梁进行理论计算，有限元模型见图2。刚架拱桥计算建立在杆系结构的假定基础上,采用弹性支承连续梁简化计算方法求解横向分布系数[4]，以荷载横向分布系数来考虑荷载分布，从而将空间问题转化为平面问题。

图2 刚架拱桥有限元分析模型

3.3 测试结果分析及承载力评定

各工况试验荷载作用下，刚架拱控制截面测点的位移及应力的计算及试验结果见表1。

表1 控制截面测点静载位移分析结果

由表1可以看出，静载试验荷载作用下，测点的位移校验系数均在0.29～0.97范围之内，均小于1.0，但某些测点的校验系数已超出挠度校验系数常值0.50～0.90范围，另外个别测点的相对残余变形已超出20%，说明结构竖向刚度已稍有不足，并且混凝土超出弹性工作状态。

从静载应变试验结果来看，跨中拱顶截面实测应变数值较大，应变校验系数为0.71～1.72，超出常值0.40～0.80范围，并且大于1，说明试验荷载作用下结构的整体性较差，已不能满足公路-Ⅱ设计荷载要求。

桥梁脉动测试的竖、横向基频分别为3.96 Hz、1.95 Hz，其值稍高于理论计算频率2.90 Hz、1.54 Hz，说明结构的实际刚度稍大于理论值，基本能够满足原设计要求。依据《公路桥涵设计通用规范》[5]冲击系数1+μ=0.176 71 lnf-0.015 7=1.228，早期拱桥动力系数取值1.12，跑车试验下的桥梁动力系数最大值为1.327，实测应变冲击系数大于原设计值,说明路面状况的恶化造成的局部冲击现象较为严重，对杆件受力带来不利影响，车辆过桥时，桥梁振幅较大，对桥梁系统的连接也不利，影响桥梁的整体性能。

4 结论

通过对刚架拱桥的病害进行现场调查，并分析产生病害的原因，结合荷载试验对承载力进行评定，得出以下结论：

（1）早期混凝土强度低及目前重载车辆的不断增加是造成刚架拱桥承载力降低的主要因素。

（2）通过静载试验，位移校验系数及应变校验系数已超出常值范围，并且大于1，说明桥梁的刚度稍有不足，出现病害后的桥梁承载力已不能满足现行运营要求。

（3）通过动载试验，实测桥梁的冲击系数已超出计算值，说明路面状况的恶化造成的局部冲击现象较为严重，对杆件受力带来不利影响；另外车辆过桥时振动较大，对桥梁系统的连接也不利，影响桥梁的整体工作性能。

[1]范立础.桥梁工程（上、下册）[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]谌润水,胡钊芳.公路桥梁荷载试验[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3]JTG/T J21—2011,公路桥梁承载能力检测评定规程[S].2011.

[4]张正权.刚架拱桥的受力分析与加固[D].浙江杭州:浙江大学硕士学位论文,2006.

[5]JTG D60—2004,公路桥涵设计通用规范[S].2004.