钢管混凝土异形拱桥结构静动力性能及承载能力分析

周叶军，曾学

（江西省交通科学研究院有限公司，江西 南昌 330052）

1 工程概况

赣州市章江大桥于2010年建成通车，连接西岸章江新城和东岸河套老城，由西岸引桥、主桥和东岸引桥主城，全长1 352.00m。主桥结构形式为三跨飞燕式钢管混凝土异形系杆拱桥，主桥全长254.00m，主跨158.00m，左右边跨为48.00m。主跨拱肋采用三根钢管灌注C50微膨胀混凝土，边跨加劲梁采用预应力混凝土梁，主跨加劲梁采用钢箱梁，全桥采用4根系杆。设计荷载为城市-A级、人群荷载按照《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ 77—98）取值。根据赣州市“四横六纵”的城市快速路系统规划，由于现状章江大桥无法满足交通需求，需对其进行扩容改造。依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）和《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21—01—2015），对其进行静动载试验和承载能力检算。桥梁立面图如图1所示。

2 荷载试验

2.1 静载试验

2.1.1 静载试验内容

静载试验是将静止的荷载作用在桥梁上的指定位置，对结构的静力位移、静力应变、吊杆索力等参量进行测试，从而对结构在静力荷载作用下的工作性能及使用能力作出评价。

2.1.2 静载试验结果

记录、整理试验数据，试验结果见表1所示。

表1 章江大桥主桥各静载试验工况下变形、应力实测结果

2.1.3 静载试验小结

通过章江大桥静载试验的实测数据和理论计算结果对比分析可以得出，章江大桥主桥静载受力性能满足设计荷载标准正常使用极限状态要求。

2.2 动载试验

2.2.1 动载试验内容

动载试验是通过预先布置在结构特定位置上的动力传感器，测试桥梁结构的动力特性和动力响应参数实测数据，与相应理论计算结果进行对比，从而分析评价桥梁结构实际运营状态下的动力性能。

2.2.2 动载试验结果

主桥测试所得最大冲击系数结果见表2。

表2 章江大桥主桥实测最大冲击系数与设计计算值比较

主桥测试所得各振动阶数下自振频率结果见表3。

表3 章江大桥主桥实测自振频率与理论计算值比较

主桥在各振动阶数下自振振型见图2～图5。

2.2.3 动载试验小结

通过章江大桥主桥动载试验所得试验数据与理论结果对比分析，可以得出：

（1）主桥实测冲击系数小于理论值，桥面平顺性较好；

（2）赣州市章江大桥主桥前4阶实测振动频率与对应理论值的比值在1.044～1.157范围内，桥梁实际刚度达到理论预期。

由此得出结论：章江大桥主桥在动载试验作用下所反映的动力特性和动力响应参数均满足正常行车性能要求。

3 承载能力检算

3.1 检算原则及特点

本次检算采用ANSYS有限元软件对桥梁结构进行检算。

（1）主梁构件计算采用空间结构；

（2）结合本次检测结果，各材料参数及恒载取值依据设计图纸及实测参数；

（3）检算时不考虑桥面铺装参与受力；

（4）结合行车道宽度和设计规范，汽车荷载按最不利效应进行检算，冲击系数按照新旧城市桥梁设计规范分别考虑；

（5）结构计算模型见图6所示。

3.2 检算荷载

考虑恒载、活载、混凝土收缩徐变、整体升降温、基础沉降等作用，对主桥边跨混凝土箱梁跨中截面和墩顶截面、钢箱梁跨中截面、最大内力吊杆、主拱拱脚分别进行如下组合检算（括号中数据为钢箱梁数据）：

组合1：1.2恒载+1.4新规范车道荷载+1.0收缩徐变+1.12整体升温25度+1.1竖向温度梯度+0.5（1.0）基础沉降1cm；

组合2：1.2恒载+1.4新规范车道荷载+1.0收缩徐变+1.12整体降温25度+1.12竖向温度梯度+0.5（1.0）基础沉降1cm；

组合3：1.2恒载+1.4旧规范车道荷载+1.4旧规范人群荷载+1.0收缩徐变+1.12整体升温25度+1.12竖向温度梯度+0.5（1.0）基础沉降1cm；

组合4：1.2恒载+1.4旧规范车道荷载+1.4旧规范人群荷载+1.0收缩徐变+1.12整体降温25度+1.12竖向温度梯度+0.5（1.0）基础沉降1cm。

3.3 检算结果与分析

章江大桥主桥承载能力检算结果见表4、5，表中受拉为正，压为负。

表4 章江大桥主桥混凝土构件承载能力检算结果

由表4、表5中的检算结果可知，章江大桥主桥承载能力满足设计标准要求。

表5 章江大桥主桥吊杆及主拱肋整体检算结果

4 结构外观检查

通过对章江大桥进行全面细致外观的检查，发现其主要存在以下外观病害：主桥混凝土箱梁局部开裂、蜂窝、露筋；主桥钢箱梁部分U肋和U肋焊缝锈蚀；主桥V腿蜂窝、露筋；盆式支座钢盆锈蚀。

5 结论与建议

（1）章江大桥主桥静载受力性能满足设计荷载标准正常使用极限状态要求；

（2）章江大桥主桥在动载试验作用下所反映的动力特性和动力响应参数均满足正常行车性能要求；

（3）章江大桥主桥承载能力检算结果表明章江大桥主桥承载能力满足设计标准要求；

（4）章江大桥存在混凝土主梁开裂、蜂窝、露筋，钢箱梁U肋锈蚀等影响结构安全使用和耐久性的外观病害，病害的存在削弱桥梁结构的承载能力，因此建议对章江大桥外观病害进行相应处理或加固，并对桥梁结构按照《城市桥梁养护技术标准》（CJJ 99—2017）进行定期的检查与养护。