基于荷载试验的既有大跨径桁架拱桥加固后承载能力评定

1 引言

桁架拱桥是20 世纪60 年代末发展起来的一种轻型拱桥，具有外形简洁美观、用料节省、自重轻、刚度大、整体性好、预制装配程度高、施工简便、造价低廉并适合在软土地基上修建等特点，早些年在我国得到了广泛应用。 但是桁架拱存在着主拱片、微弯板、混凝土填平层以及桥面铺装之间连接强度不足、横向和纵向刚度较弱等缺陷，随着近年来交通量和重型车辆的不断增加，原有桥梁出现了各种病害，以致不能够满足目前的交通需求，影响到了桥梁的使用和行车安全[1]。 本文以实际参与检测的甘肃省境内某大跨径桁架拱桥为研究对象，通过对桥梁的内力分析及现场荷载试验， 研究了既有加固后桁架拱桥内力及变形性能，评价了桥梁的整体承载性能，为该桥梁今后运营及再次维修加固提供依据。

2 桥梁概况

某主跨为1-70 m 的钢筋混凝土桁架拱桥，矢跨比为1/6，采用转体法施工，建成于2003 年7 月。 桥梁设计荷载等级为汽-20，挂-100，桥梁宽度为净9.0 m+2×1.75 m，桁架拱轴线按二次抛物线设计。 随着该地区经济的发展，经过该桥梁的大、中型超重车辆日益增多，超载现象严重。 原桥设计承载力已不能满足交通荷载的要求，桥梁出现了不同程度的损伤，存在安全隐患。 为此，2014 年对该桥梁进行了维修加固，加固的主要内容有：对拱肋上缘、下缘粘贴钢板；对斜撑节点、横系杆和原拱肋连续系杆等部位粘贴钢套箍加固；上弦杆底、横梁及挑梁底部相应位置粘贴钢板加固；更换伸缩缝等。

加固后，经过几年运营，目前桥梁病害依然严重。 其中，上部结构的主要病害有拱片开裂、破损、露筋、锈蚀、蜂窝麻面、桥面板开裂等，典型病害如图1 所示。 现场检测中，按照重要部件最差缺损状况评定方法，该桥技术状况评定为3 类。 为能够准确评定该桥实际承载能力， 在技术状况评定的基础上对桥梁进行了荷载试验。

图1 桥梁典型病害

3 桥梁静载试验

3.1 静载试验方案确定

1）静载试验效率系数。 静载试验效率系数是指桥梁的特定控制截面试验荷载效应与设计控制值之比值， 对于既有桥梁取值一般在0.95～1.05[2]。 试验荷载选定原设计荷载，采用等效加载的方式进行加载， 该桥的等效荷载采用重量约400 kN的三轴载重汽车4 辆，分4 个工况进行加载，加载工况及加载效率系数如表1 所示。

表1 静载试验加载效率表

2）测试位置及工况。 桁架拱桥静载试验的主要测试工况为跨中截面最大正弯矩工况和拱脚截面最大负弯矩工况，横桥向分别按照偏载和中载的方式加载。 测试工况详见表1，各工况的测试内容为应变和挠度。 试验测试截面分别为拱顶截面和拱脚截面，测点布置如图2 和图3 所示。

图2 跨中（1#）测试截面测点位置布置图（单位：cm）

图3 拱脚（2#）测试截面测点位置布置图（单位：cm）

3.2 静载试验结果分析

现场试验分4 级进行加载， 分别记录了各工况在各级加载及卸载稳定后桥梁控制截面的挠度和应变。

1）挠度分析。 挠度能反映桥梁的整体受力性能，是评价主要承重结构整体状态最重要的参数之一。 各工况作用下桥梁拱顶截面各测点挠度测试结果如表2 所示。

表2 试验荷载各工况挠度测试结果及分析

由表2 可以看出：（1）所有测点的实测位移与相应的理论计算值分布趋势基本一致，无位移异常现象，实测位移大小及分布基本反映了相应加载工况下主梁的变形趋势， 测试数据有效；（2）工况一、工况二的校验系数在0.811～0.999，接近1，说明该桥结构抗弯刚度与设计刚度接近， 桥梁安全储备较低；（4）工况一、工况二相对残余挠度（残余挠度与总挠度值的比值）最大值为8.7%，符合JTG/T J21-01—2015《公路桥梁荷载试验规程》相对残余挠不大于20%的规定。说明该桥结构处于弹性工作状态。

2）应变分析。 拱顶截面和拱脚截面的应变测试与分析结果如表3 和表4 所示。

表3 拱顶截面应变分析

表4 拱脚截面应变分析

由表3 和表4 可以看出：（1）实测应变的分布趋势与理论计算值基本一致；（2）工况一～工况四平均应变校验系数分别为0.935、0.943、0.970、0.958，接近1，有2 个测点校验系数等于1；说明桁架拱片结构强度安全储备不足。

4 桥梁动载试验分析

桥梁自振频率测点分别布置在L/4、L/2 和3L/4（L 为桥梁跨境），采用荷载激振法测试桥梁自振频率。 该桥梁的竖向振动测试结果如表5 所示。

表5 桁架拱桥自振频率检测评定结果

由表5 可看出，该桥的实测自振频率大于理论计算值，结构能达到正常使用要求，根据文献[3]，该桥自振频率标度可评定为1，说明桥梁工作状况良好。

5 结语