下承式钢管混凝土系杆拱桥特殊检测试验方法研究

邓玉华

（福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州 350001）

1 引言

下承式钢管混凝土系杆拱桥，以其独特的结构形式和优美结构线形，广泛应用于桥梁建设中。服役多年后的下承式钢管混凝土拱桥将面临1 次全面的特殊检测，用以评价其承载能力是否出现严重的衰减，并为后期的养护和修复工作提出建议[1]。本文以1 座服役多年的下承式钢管混凝土系杆拱桥为例，对其进行特殊检测试验方法研究。

2 工程背景

某下承式钢管混凝土系杆拱桥分左右幅，桥梁总长113.72 m。桥跨布置为1 孔跨径99 m 的钢管混凝土下承式系杆拱，净矢跨比1/5，净矢高19.8 m。设计荷载为汽超-20级，挂-100 级，人群荷载4.0 kN/m2。

3 桥梁技术状况评估

3.1 外观病害检测

对桥面系、上部结构、下部结构进行全面的外观检测。桥面系的主要病害是桥面铺装的磨光、露骨、裂缝、破损。上部结构的主要病害是拱肋拱背鳍状凸起处铁件均出现锈蚀现象以及局部生锈。下部结构的主要病害是桥台前墙砌缝脱落以及开裂、渗水等[2]。

3.2 自振频率测试

3.2.1 测点布置

桥梁自振特性测点布置在桥面行车道上，以观测桥梁竖向自振特性。自振频率测点须在拱肋及桥面同时布点，协同采集。

3.2.2 测试结果

有限元程序M IDAS/CIVIL 理论计算模态值竖向第一阶振型对比如图1 所示。表明该下承式钢管混凝土系杆拱桥实际成桥刚度大于理论刚度，说明桥梁的整体刚度满足设计要求。

图1 竖向第一阶振型对比

3.3 无损检测

无损检测主要针对该桥混凝土部件，包括混凝土强度、碳化深度检测及钢筋保护层厚度检测3 个方面。根据测试结果得到回弹强度、钢筋保护层厚度评定标度均为1。

3.4 桥梁技术状况评定

对该桥进行技术状况等级评定，评定结果为：上部构造39.7 分，下部构造83.3 分，桥面系60.0 分，本桥技术状况评分为Dr=39.7×0.40+83.3×0.40+60.0×0.20=61.2，故该桥技术状况评定等级为3 类。

4 静力荷载试验

4.1 静力荷载试验工况

根据下承式钢管混凝土系杆拱桥结构特点确定静力荷载试验项目包括：L/2 截面（L 为桥长）、L/4 截面最大正弯矩偏载应变、挠度测试；拱脚最大负弯矩偏载应变测试。

4.2 测点布置

应变、挠度测试工况、截面及测点布置见表1 和图2。

表1 各工况控制截面及量测内容

图2 截面应变测点图

4.3 静载数据分析

该下承式钢管混凝土系杆拱桥应变校验系数位于0.60～0.87，处于规定的正常值范围，所以，截面刚度满足试验荷载要求。该下承式钢管混凝土系杆拱桥挠度校验系数位于0.60～0.80，满足规定的正常值范围，所以，整体刚度满足试验荷载要求[3]。

5 承载能力检算

5.1 钢管混凝土拱肋承载能力极限状态计算

5.1.1 检算依据

钢管混凝土拱肋承载能力极限状态，根据式（1）进行计算评定：

式中，S 为荷载效应函数；R（*）为结构抗力函数；其他参数意义见表2。

表2 结构检算参数取值

5.1.2 检算参数取值及检算结果

检算参数取值见表2。取最不利的拱脚断面进行极限承载力验算，且由计算可知，荷载效应组合最不利内力为承载能力极限状态组合1（即考虑恒载+车辆荷载+人群荷载）的内力值[4-6]。查结果可知，用拱脚最小弯矩（负弯矩最大值）控制设计：弯矩值Mj=8 795.6 kN·m，轴力值Nj=16 930 kN。

根据式（1），钢管混凝土拱肋拱脚极限承载能力：

钢管混凝土拱肋拱脚荷载组合效应：

以上计算结果表明，钢管混凝土拱肋承载能力极限状态满足要求。

5.2 吊索承载能力计算

5.2.1 检算依据

吊索承载能力计算，根据式（2）进行计算评定：

式中，N 为吊索受拉轴力设计值；其他参数意义见表3。

5.2.2 检算参数取值

结构检算参数取值参照表3。

表3 结构检算参数取值

5.2.3 检算结果

成桥状态外肋吊杆索力在荷载组合作用下的计算结果见表4。

表4 外肋吊杆索力计算结果kN

6 结论

本文通过某下承式钢管混凝土系杆拱桥特殊检查试验方法研究，得到如下结论：

1）根据外观质量检查及测试结果，本桥技术状况评分为61.2，故该桥技术状况评定等级为3 类。

2）静力荷载卸零后各挠度测点与应变测点的相对残余均满足规范中小于20%的规定；试验荷载满载时，各挠度测点与应变测点实测值均小于理论计算值，校验系数满足规范中的要求。

3）无障碍行车试验下，左右幅冲击系数小于根据规范计算的理论计算值，说明本桥行车舒适性较好。

4）承载能力检算的结果表明：该桥目前状态能满足汽车-超20 的通行要求，吊索承载能力满足规范要求。