某钢管混凝土拱桥加固后荷载试验研究

刘立火

（健研检测集团有限公司，福建 厦门 351000)

1 工程概况

某钢管混凝土拱桥全长257.24m，桥面宽度为23.4m，桥宽组成为4.2m（人行道系）+15m（行车道）+4.2m（人行道系），主桥为三孔中承式钢管混凝土无铰拱桥，每孔净跨为70.2m，矢跨比为1/3，主拱肋轴线为二次抛物线。钢管拱肋为双肋哑铃型，拱肋高2.3m，双肋间距为16.4m，每孔拱肋之间采用5 根钢横撑进行连接。主拱圈由2 根直径为900mm 钢管加上中腹钢板支撑形成稳定结构体系，哑铃形钢管内灌注强度等级为C50 高强混凝土。原吊杆采用73 丝φ7 高强钢丝外包不锈钢护套，护套内灌注防护水泥砂浆，锚具采用墩头锚。桥面系为装配式钢筋混凝上空心板和预应力混凝土横梁，每跨约为5m，在墩上盖梁和拱上横梁设置板式橡胶支座，全桥共设置4 道伸缩缝。桥墩和桥台均采用重力式混凝土结构，明挖扩大基础，两岸桥台引拱采用净跨径为10m 的圆弧拱。桥跨设计荷载为汽车超20 级，挂车120 级，人群3.5kN/m2。桥梁按照设计图纸进行加固改造施工，具体内容如下：全桥吊杆更换成GJ15-22 型环氧钢绞线，锚具采用250 夹片式与GJB 挤压式组合型拉索锚具；增设加劲纵梁；采用环氧砂浆修补混凝土裂缝、露筋和剥落等部位；采用环氧树脂类灌浆料对主拱圈弦管进行压浆；更换橡胶支座；桥面铺装修复；钢横撑和钢管拱肋做除锈防腐处理等。桥梁立面布置如图1 所示。

图1 某钢管混凝土拱桥立面布置图

2 荷载试验目的

桥梁的荷载试验主要分为静载试验和动载试验两部分。静载试验主要测量桥梁结构在各试验工况作用下控制截面的应变和挠度，并对相应的校验系数进行评定，从而确定桥梁结构截面强度及整体刚度是否满足设计要求。动载试验主要对桥梁结构进行脉动试验和无障碍行车试验，从而获取桥跨结构的自振频率和冲击系数，以评定桥梁的实际动力响应性能[1][2]。

3 静载试验与结果

3.1 加载车确定

根据设计荷载汽车超20 级以确定理论计算荷载[3]，最终加载车采用4辆重量约为40t 的三轴载重货车，货车前、中轴距为2.8m，中、后轴距为1.35m，轮距为1.9m。

3.2 试验工况确定

根据桥梁结构特征及各跨外观检测情况，选择第3 跨作为试验跨，试验工况和测试项目如表1 所示。

表1 试验工况和测试项目表

3.3 加载方式与测点布置

（1）本工程加载方式采用分级加载，各个工况均分3 级加载，最后一次卸零。

其中工况1～工况4，布置2 列2 排共4 辆车，工况5 布置单排3 列共3 辆车。

工况1～工况4 情况下，2 排加载车纵向均对称布置于距测试截面2.5m 处（中轴），外侧加载车轮中心距路缘石0.5m 处；工况5 情况下，3 辆加载车单排横向对称于道路中心线布置，中轴位于第31#梁顶部。各工况下，车列间距均为1.3m。

在正式加载试验前，采用2 辆加载车在测试位置进行预加载试验，以消除结构非弹性变形，预加载后应卸至零荷载。

（2）测点布置。在主拱肋测试截面上下缘各布置1 个应变测点，采用振弦式应变计进行应变测量，在横梁跨中测试截面底面布置1 个应变测点，采用电阻应变片进行应变测量，全桥共布置13 个应变测点。在主拱肋左右拱肋测试截面各设置1 个挠度测点，对应处桥面各设置1 个挠度测点，在31#横梁跨中设置1 个挠度测点，全桥共设置11 个挠度测点，挠度采用百分表和水准仪进行测量。

3.4 荷载效率计算

荷载效率计算公式如下：

各试验工况荷载效率如表2 所示。

表2 试验工况的荷载效率

3.5 静载试验结果

3.5.1 应变数据分析

工况1 左侧拱肋跨中最大正弯矩截面应变的校验系数为0.74～0.87，相对残余应变为0.00%～2.17%；工况2 右侧拱肋跨中最大正弯矩截面应变的校验系数为0.68～0.87，相对残余应变为0.00%～7.14%；工况3 左侧拱肋3/4L 跨最大正弯矩截面和左侧拱肋3#台拱脚跨最大负弯矩截面的应变校验系数为0.69～0.90，相对残余应变为0.00%～9.09%；工况4 右侧拱肋3/4L 跨最大正弯矩截面和右侧拱肋3#台拱脚跨最大负弯矩截面的应变校验系数为0.71～0.87，相对残余应变为0.00%～10.53%；工况5 第31#横梁跨中最大正弯矩截面应变校验系数为0.77，相对残余应变为1.53%。应变校验系数均小于1.00，说明桥梁结构的截面强度符合设计要求。各工况卸载后的相对残余应变为0.00%～10.53%，均小于20%，说明桥梁结构整体处于弹性变形。

3.5.2 挠度数据分析

工况1 左侧拱肋跨中最大正弯矩截面挠度校验系数为0.82～0.84，相对残余变形为4.71%～8.67%；工况2 右侧拱肋跨中最大正弯矩截面挠度校验系数为0.74～0.83，相对残余变形为6.54%～7.18%；工况3 左侧拱肋3/4L 跨最大正弯矩截面和左侧拱肋3#台拱脚跨最大负弯矩截面挠度校验系数为0.88～0.90，相对残余变形为1.15%～2.15%；工况4 右侧拱肋3/4L跨最大正弯矩截面和右侧拱肋3#台拱脚跨最大负弯矩截面挠度校验系数为0.90～0.93，相对残余变形为1.37%～1.68%；工况5 第31#横梁跨中最大正弯矩截面挠度的校验系数为0.72～0.97，相对残余变形为1.89%～9.64%。挠度校验系数均小于1.00，说明桥梁结构整体刚度符合设计要求。

卸载后相对残余变形为1.15%～9.64%，均小于20%，说明桥梁结构整体处于弹性变形。

4 动载试验与结果

4.1 脉动试验与结果

脉动试验的测点布置在桥面各跨行车道左侧4 等分点处，主拱肋测点则布置在左侧各跨主拱肋3L/4 跨的吊杆处，即布置在11#、26#、41#吊杆上封锚盖上部。行车道上布置纵向加速度传感器，吊杆处布置纵向及横向加速度传感器，测试桥梁结构在环境作用下的动力响应，对桥梁动力响应信号进行频谱分析，从而测得桥跨结构自振频率、振型和阻尼比。采用Midas Civil 分析软件对桥梁动力进行建模计算分析，得到桥梁主拱圈1 阶横向振型及频率，以及桥跨竖向振型与频率。桥梁主拱圈横向1 阶计算频率为0.78Hz，第1 跨、第2 跨和第3 跨实测1 阶横向自振频率均为为0.98Hz；各跨竖向1 阶计算频率为1.94Hz，第1 跨、第2 跨和第3 跨实测竖向1 阶频率分别为2.05Hz、1.95Hz 和1.95Hz，实测频率均大于计算频率，说明桥梁结构总体刚度比理论值大，结构均质性和传递振动能力较好。

4.2 无障碍行车试验与结果

无障碍行车应变测试测点布置在第31#横梁跨中截面底面，一辆加载车分别以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h 的速度匀速行驶经过桥面，从而对桥梁结构施加动力荷载，根据测得的动应变时程曲线，计算出冲击系数，将实测值与理论值进行对比分析，从而获得桥梁的动力响应特性。由桥梁竖向1 阶理论频率为1.94Hz，计算所得桥梁理论冲击系数为0.10[5]，测试截面在行车速度为10km/h、20km/h、30km/h、40km/h 时的实测冲击系数分别为0.01、0.07、0.06 和0.01，实测最大冲击系数为0.07＜理论冲击系数0.10，说明桥梁结构动力性能较好。

5 结束语

根据某钢管混凝土拱桥加固后静载和动载试验数据分析可知，桥梁结构的截面强度和结构整体刚度均满足设计荷载使用要求，桥梁结构整体工作性能处于弹性状态，动力特性响应均正常。