基于桥梁静动载试验检测的下承式钢管混凝土系杆拱桥工作状况分析

■王达龙

（福建省交通科研院有限公司， 福州 350005）

下承式钢管混凝土系杆拱桥采用无粘结钢绞线作为系杆， 以承担恒载作用下的拱脚水平推力。该结构类型的桥梁桥面较宽、建筑高度较低、桥面跨度较大且桥下净空利用率较高。 此结构能够发挥出不同材料的优势，且外部为静定结构，地基和温度变化对结构影响比较小，是大跨度拱桥较理想的结构形式，因此适用于平原地区、跨线工程等地形上的推广和应用。

1 工程概述

本文工程实例为某城区主干道上的一座下承式钢管混凝土系杆拱桥，大桥全长488 m，位于直线内，两岸引桥上部构造采用预应力砼连续箱梁。 桥梁通过现浇连续接头及张拉负弯矩钢束形成连续体系，桥跨布设成一联5×30 m 双幅桥；主桥上部构造采用下承式钢管混凝土系杆拱，拱墩固结，桥跨布设成（51+80+51）m 双幅桥。 主桥与引桥之间设有伸缩量D-160 型伸缩缝， 两桥台处设有伸缩量D-80 型伸缩缝，主墩处拱内侧设有伸缩量D-40 型伸缩缝。下部构造：引桥桥墩采用φ140 钢筋砼三柱式墩身，φ150 钢筋砼钻孔灌注桩基础；两岸桥台为肋式台，钻孔灌注桩基础。 主桥桥墩采用薄壁门式框架墩，φ200 钢筋砼钻孔灌注桩基础。 桥梁主桥桥型布置图及测试截面示意图如图1 所示。

图1 桥梁主桥桥型布置图及测试截面示意图

2 外观缺损状况检查结果

依据设计图纸，按照JTG/T H21-2011《公路桥梁技术状况评定标准》将全桥分为桥面系、上部结构、下部结构等部位开展缺损状况检查，检查结果如下：（1）上部结构：主桥钢管混凝土拱肋上、下弦管的顶部和侧壁均存在混凝土脱空现象，底部局部存在脱空现象；拱肋表面共19 处局部锈蚀、漆皮剥落。 主桥钢管混凝土拱肋上、下弦管的顶部和侧壁均存在混凝土脱空现象， 底部局部存在脱空现象；拱肋表面共19 处局部锈蚀、漆皮剥落。 主拱横撑表面共5 处局部锈蚀，1 处较大面积锈蚀。主桥所有系杆锚头保护罩均存在局部锈蚀、 油脂渗漏现象；所有中拱系杆两端外包钢管均锈蚀。 主桥横梁共出现62 处露筋，长0.05～0.50 m；1 处混凝土掉块露筋，面积0.08 m2；2 处混凝土麻面， 总面积0.88 m2。 主桥行车道板共出现63 处露筋， 长0.03～0.40 m；40 处混凝土掉块露筋，总面积1.795 m2；7 处混凝土麻面露筋，总面积2.27 m2。 主桥加劲纵梁共出现318 处露筋，长0.03～0.50 m；80 处混凝土掉块露筋，总面积3.7925 m2；21 处 混 凝 土 麻 面 露 筋， 总 面 积1.73 m2；主桥吊杆大部分都出现上、下锚头保护罩局部锈蚀、油脂渗漏，下锚头保护罩内积水现象；13根吊杆下锚头保护罩内黄油明显变质；10 根吊杆下锚头保护罩内黄油较少。 （2）下部结构：主桥桥墩共出现1 条竖向裂缝流白灰，长2.00 m；56 处露筋，长0.10～2.00 m。 （3）桥面系：主桥桥面铺装混凝土存在较大面积磨损严重、外露粗骨料现象，横梁对应桥面铺装均出现横向开裂现象， 局部有网裂、纵向开裂、破损、露筋等现象。 全桥人行道护栏和防撞护栏底座均存在局部轻微锈蚀现象；护栏栏杆存在局部锈蚀现象；个别位置存在栏杆脱落和竖撑缺失现象。 主桥系杆、吊杆锚头保护罩锈蚀、油脂渗漏主要发生原因是锚头处凹槽造成积水或构件材质问题，可能造成构件脱落甚至断裂，应及时进行除锈处理，必要时更换受损构件。 钢管拱存在混凝土脱空现象指钢管与核心混凝土在界面处分离或混凝土内部出现不密实、脱空现象，主要原因是轴向压力、 温度和混凝土施工工艺对桥梁的受力模式、承载力和刚度有影响，可能降低桥梁安全性和使用寿命，可使用灌浆等方法处理脱空现象。 该桥总体技术状况等级依JTG/T H21-2011《公路桥梁技术状况评定标准》评定为3 类。

3 结构无损检测结果

3.1 桥面线形

经现场量测，引桥和主桥实测桥面线型与设计线型的对比如图2 所示。 由图2 可知，扣除桥面南北侧32.0 cm 高差（横坡2%），北幅桥面南、北侧线型高差最大值为6.7 cm，南幅桥面南、北侧线型高差最大值为5.6 cm，考虑到测量误差、施工误差等影响因素，两幅桥面均未产生扭转、突变等异常现象；实测桥面线型与设计线型基本吻合。

图2 桥面实测线型与设计线型对比

3.2 主桥拱轴线型

经现场量测， 主桥实测拱轴线线型如图3 所示。 由图表可知，两幅主桥两侧拱肋拱轴线均未发生突变，线型基本一致。

图3 主桥拱肋实测线型

3.3 材质强度和碳化状况

根据规范对上述所选取的构件采用回弹法对混凝土强度进行检测，并对回弹测区进行碳化深度检测，回弹检测的强度用碳化深度结果进行修正。检测结果表明， 推定强度匀质系数Kbt 均大于0.95，各构件的混凝土强度评定标度均为1。

3.4 钢筋保护层厚度

选取主桥横梁4 片、桥墩2 个，对构件进行钢筋保护层厚度的检测，并计算得出钢筋保护层厚度特征值Dne。 所测4 片主桥横梁的钢筋保护层厚度现场实测评定标度为2， 表明钢筋保护层厚度对结构钢筋耐久性有轻度影响；所测2 个桥墩的钢筋保护层厚度评定标度为1， 表明钢筋保护层厚度对结构钢筋耐久性影响不明显。

3.5 钢管焊缝质量

选取4 根钢管，对钢管焊缝外观、宽度、表面余高等项目进行检测。 所测4 片钢管焊缝表面均无裂纹、气孔、弧坑和灰渣等缺陷，焊缝表面光滑均匀，焊道与母材平稳过渡，无咬边、错边、未满焊等现象。焊缝宽度均焊出坡口边缘2～3 mm。焊缝余高均符合二类焊缝标准。 检测结果表明该桥钢管焊缝质量良好。

3.6 吊杆索力

选取4 根吊杆进行现场量测，实测频率及其与2015 年检测结果的对比如表1 所示，SA5# 和SB7#两根吊杆的实测加速度时程曲线图和频谱图如图4所示。 检测结果表明，此次检测吊杆所得一阶频率与2015 年检测结果较为接近，吊杆索力无明显变化。

表1 吊杆频率实测结果

图4 吊杆实测加速度时程曲线图和频谱图

4 荷载试验结果及分析

4.1 桥梁静载试验

4.1.1 检验对象及静载试验工况

结合外观检查结果以及现场试验条件，主桥选定2 跨作为试验对象。 根据该桥竣工图纸、现场实测参数以及检测结果，应用有限元软件对桥梁进行建模计算，模型如图5 所示。 试验主要测试截面如图6 所示，试验工况如表2 所示。 试验用挂车-120，汽车-超20 活载产生的最不利效应值来进行等效换算，从而得出试验所需荷载、车辆轮位及加载车辆等[3]。

图5 下承式钢管混凝土系杆拱计算模型图

表2 试验测试内容

4.1.2 测点布置

（1）应变测点。 主桥控制截面为南幅第6 跨拱顶截面（SA1）、大里程侧拱脚截面（SA2）、5# 横梁截面（H1）、第7 跨拱顶截面（SB1）、L/4 拱截面（SB2）、小里程侧拱脚截面（SB3）、7# 横梁截面（H2）。 在主桥拱肋各控制截面的顶部、底部以及侧面粘贴钢筋应变片，用DH3815 数据采集仪测量；在主桥横梁控制截面底部粘贴混凝土应变片， 使用型号DH3815 数据采集仪测量。 各控制截面应变测点布置如图7 所示。（2）挠度测点。主桥控制截面为南幅第6 跨拱顶截面（SA1）、5# 横梁对应桥面、第7 跨拱顶截面（SB1）、第7 跨L/4 和3L/4 拱截面（SB2 和SB2′）、7#横梁截面对应桥面。在主桥拱肋各控制截面底部吊装塔尺，采用精密水准仪测量；在主桥横梁对应的桥面布设铟钢尺，采用精密水准仪测量。各控制截面挠度测点布置如图6 所示。 （3）裂缝观测。观测各试验工况作用下相应截面的裂缝开展情况。

图6 控制截面挠度测点布置示意图

图7 控制截面应变测点布置示意图

4.1.3 桥梁静载结果及分析

（1）挠度：依据规程[1]，主桥南幅各控制截面挠度校验系数为0.79～0.93，处于该规程规定的常值范围0.75～1.00；相对残余挠度最大值为13.8%，均小于该规程的规定值20%。 根据试验结果，主桥南幅刚度总体上满足设计要求， 结构处于弹性工作状态。 （2）应变：依据规程[1]，主桥南幅各控制截面应变校验系数为0.79～0.95，各控制截面应变校验系数均处该规程规定的常值范围0.75～1.00；相对残余应变最大值为17.4%， 均小于该规程的规定值20%。（3）裂缝：各试验工况作用下各试验桥跨结构相应控制截面均未见新裂缝产生。

4.2 桥梁动载试验

在桥梁位置附近无规则振源的情况以及桥面无交通荷载的情况下，测定桥跨结构由于桥梁位置处地脉动、风荷载等随机荷载激振而引起的小微桥跨结构振动响应，分析桥跨结构自振特性，测试桥跨结构阻尼比和自振频率[2]。

4.2.1 竖向自振特性试验

在主桥南幅中跨四分点对应的桥面人行道侧位置布置DH610V 竖向拾振器。检测信号经FFT 分析、模态分析，桥跨结构实测竖向1 阶模态参数及其与理论值的比较如图8 所示，竖向测点时域波形图和频谱图如图9 所示。 试验结果显示，该桥实测竖向1 阶自振频率为2.25 Hz， 大于理论计算值2.03 Hz，结果表明振型理论计算结果和实测结果相同。 该桥桥跨结构实测竖向1 阶频率值和理论值的比值为1.11，根据规程[3]横向自振频率评定标度为1。 根据结果，该桥结构的动刚度满足要求。

图8 实测与理论竖向自振频率及振型图比较

图9 竖向测点时域波形图和跨中测点频谱图

4.2.2 横向自振特性试验

在主桥南幅各跨拱肋L/4、拱顶、3L/4 截面的顶面布置DH610H 横向拾振器。实测的信号经FFT 分析、模态分析，该桥桥跨结构实测横向1 阶模态参数及其与理论值的比较如图10 所示， 横向测点时域波形图和频谱图如图11 所示。 试验结果表明，该桥横向1 阶自振频率为0.69 Hz， 大于理论计算值0.63 Hz，实测与理论振型一致。 实测横向1 阶频率值与理论值的比值为1.10，根据规程[2]该桥横向自振频率的评定标度为1。根据试验结果可以得出，该桥结构动刚度满足规程要求。

图10 实测与理论横向自振频率及振型图比较

图11 横向测点时域波形图和跨中测点频谱图

4.3 结论

综上所述， 该桥总体技术状况评定为3 类，桥跨结构承载能力目前能够满足设计荷载等级（挂-120，汽超-20）要求。

5 结语

本研究采用大型有限元计算软件建立理论模型，进行桥梁外观检查、结构无损检测和桥梁静动载试验检测，从而评价某下承式钢管混凝土系杆拱桥工作性能是否满足要求，可为该桥今后的养护加固提供技术支持，也可为其他同类型桥梁的工作性能评价提供参考借鉴。