某悬链线钢筋混凝土箱型拱公路桥梁检测与加固设计

肖忠辉

（核工业长沙中南建设集团有限公司，湖南 长沙）

1 工程概况

项目位于湖南省长沙市，桥结构型式为主跨采用高为90 m 的悬链线钢筋混凝土箱型拱，拱的矢跨比为1/6，拱上建筑为空腹式，两端边跨各为二孔13 m简支“T”型梁，主墩采用空心砼墩内填毛石及砂砾石，边跨为框架式桥墩和重力式桥台。其主要技术标准：桥长156.12 m，设计荷载：汽-20 t、挂100 t；桥面净宽：9 m=1 m（人行道）+7 m（行车道）+1 m（人行道）；行车道数为双向两车道；洪水频率：1/100，相应洪水流量：4 100 m3/s。为确保大桥在运营、养护过程中结构的安全，对大桥进行桥梁状态检测及荷载试验，并在此基础上进行加固设计。

2 桥梁状态检测

根据桥梁结构形式，参照《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21）[1]，对该桥部件进行划分和数量统计，并编号。如纵向编号示意图见图1。

图1 纵向编号示意图

通过以目测观察结合仪器观测，对桥梁主跨、墩台基础、桥墩、支座、河床、桥面铺装、人行道、伸缩缝、排水系统和栏杆及护栏的外观状态、钢筋锈蚀、混凝土强度及碳化深度、保护层厚度、结构变位进行检查，根据桥梁现场检测结果，主要病害为墩基础破损、剥落、松动，墩盖梁混凝土剥落露筋、钢筋锈蚀，梁混凝土剥落、主筋裸露锈蚀等，依据桥梁技术状况等级评定、单向控制指标评定方法。边跨主要部件上部承重部件技术状况评分达到5 类，支座、桥墩技术状况评分均达到4 类。采用桥梁状况指数BCI 进行综合评定时，该桥边跨技术状况等级评定为4 类。

3 静载试验

根据《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21）[2]试验荷载选用汽车荷载，在静载试验汽车荷载作用下，对受检桥跨结构控制孔跨在最不利截面处的结构反应进行监测：①桥跨典型位置处的挠度；②桥跨典型截面处的应力分布；③桥梁结构的弹性恢复特性。

根据桥梁工程的现状、检测目的、已受荷载的状态和相关规范规程，根据Midas/Civil 建立有限元模型在设计荷载作用下的进行分析成桥后的桥跨在最不利的跨径上进行试验，确定结构在设计荷载作用下产生最大结构效应（变形和内力）的截面位置，最终确定最大变形和最大弯矩的截面位置均为第2 跨跨中截面（正弯矩）、第3 跨拱顶截面（正弯矩）、第3 跨拱脚截面（负弯矩），因此将此3 截面作为静载试验的控制截面。按照设计、试验荷载在控制截面处所产生的结构效应（含变形和内力）等效的原则，并结合现场的试验条件，计算确定所需试验荷载大小及其作用方式。本次静载试验荷载采用车辆直接加载，等效荷载加载车辆使用3 轴载重卡车，前后轴距5.0 m，中后轴距1.4 m，试验车辆单车总重为400 kN，单车前轴、中轴和后轴重分别占总重的20%、40%和40%。按照荷载对结构产生的效应相同为原则，确定等效试验荷载的加载工况。根据桥跨结构试验检测的目的并考虑布点、布线、数据采集、测试控制，最终得到各工况控制截面挠度对比见图2～图3。

图2 1-1 截面工况1 挠度对比图

图3 2-2 截面工况2 挠度对比图

大桥主跨在各测试工况荷载作用下，第3 跨各挠度测点的挠度校验系数为0.91～1.03，应变测点的应变校验系数为0.85～1.03，与JTG/T J21 中的挠度校验系数限值（0.5～1.0）及应变校验系数（0.5～0.9）限值的规定不符；相对残余变位最大为21.4%，应变测点的相对残余应变最大为21.2%，均大于JTG/T J21 规定的限值（20%），表明受检结构弹性状态欠缺，处于非弹性工作状态。因此大桥主跨结构刚度不满足汽-20 级荷载的使用要求。

大桥边跨在各测试工况荷载作用下，第2 跨各挠度测点的挠度校验系数为0.95～1.03，应变测点的应变校验系数为0.75～0.98，与JTG/T J21 中的挠度校验系数限值（0.5～0.9）及应变校验系数（0.4～0.8）限值的规定不符；相对残余变位最大为22.8%，应变测点的相对残余应变最大为21.5%，均大于JTG/T J21 规定的限值（20%），表明结构弹性状态欠缺，处于非弹性工作状态。因此大桥边跨结构刚度不满足汽-20 级荷载的使用要求。

4 动载试验

本项目采用的桥梁结构动力响应测试有：无障碍行车（跑车）试验和有障碍行车（跳车）试验；采用的桥跨结构自振特性测试有：无障碍行车（跑车）试验、有障碍行车（跳车）试验和环境随机激振（脉动）试验。无障碍行车、有障碍行车、制动试验采用与本项目静载试验的加载车辆相同的载重车辆。

建立桥梁有限元模型，计算大桥的自振特性（自振频率和振型），其中第3 跨第一阶阵型图如图4 所示。根据桥跨结构试验检测的目的并考虑布点、布线、数据采集、测试控制得出实测数据。

图4 第3 跨第一阶振型图

河大桥主跨理论计算竖向一阶频率值与实测值分别为3.01 Hz 和2.93 Hz，实测桥跨基频小于桥梁理论频率，表明桥梁结构的实际刚度小于理论刚度，桥跨结构刚度不满足要求；主跨实测桥梁结构阻尼比为0.02，通常桥梁结构的阻尼比在0.01～0.1 之间，该桥结构阻尼比正常，表明桥梁结构传递振动能力良好。根据冲击系数的实测值来评价桥梁结构的行车性能，大桥主跨结构冲击系数为最大值为1.184，超出理论冲击系数1.179，表明桥梁结构的行车性能不佳。

大桥边跨第2 跨理论计算竖向一阶频率值与实测值分别为8.96 Hz 和8.79 Hz，实测桥跨基频小于桥梁理论频率，表明桥梁结构的实际刚度小于理论刚度，桥跨结构刚度不满足要求。大桥边跨第2 跨结构阻尼比为0.02，通常桥梁结构的阻尼比在0.01～0.1之间，该桥结构阻尼比正常，表明桥梁结构传递振动能力良好。根据冲击系数的实测值来评价桥梁结构的行车性能，李家峡水电站尾水下游黄河大桥边跨第2跨结构冲击系数为最大值为1.244，未超出理论冲击系数1.372，说明桥梁结构的行车性能良好。

依据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21），通过桥梁外观检测判定：大桥主跨现阶段总技术状况等级评定为4 类，即影响承载能力，不能保证正常使用；大桥边跨现阶段总技术状况等级评定为4类，即主要构件有大的缺损，严重影响桥梁使用功能。依据《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21），通过桥梁静、动载试验判定：大桥主跨、边跨现阶段承载能力不满足正常设计荷载的使用要求。依据《公路桥涵养护规范》（JTG 5120）3.8.3 条规定[3]，对技术状况等级为4类的桥梁养护对策为：修复养护、加固或改造；及时进行交通管制，必要时封闭交通。因此建议建议按《公路桥涵养护规范》（JTG 5120）规定对主跨结构按处理意见进行修复养护，修复后继续维持车辆限行管理（限制总重超过15 t 且单轴超过10 t 的车辆通行）；对边跨结构按处理意见进行改造或加固，处理后继续维持车辆限行管理；在修复、加固前应加密对大桥的日常巡查和定期检查，监测大桥状态，必要时应及时封闭交通。

5 加固设计

根据大桥桥梁检测与评估报告，需对接缝边角剥落、出现坑洞、铺装面层磨光脱皮露骨、出现纵横向裂缝、盖梁混凝土开裂、剥落露筋、钢筋锈蚀、台身混凝土个别表面磨损、粗集料显露等进行缺陷修复；伸缩缝堵塞、不能自由变形，支座老化变形、剪切超限，对0#～5#台及墩支座、伸缩缝进行更换。其中伸缩缝安装温度需控制在15～20 ℃，且伸缩缝预留槽内采用C50钢纤维防水砼，每立方米砼内掺入80 kg 钢纤维。伸缩缝更换图如图5 所示。

图5 伸缩缝平面构造图

针对大桥主跨刚度不足、承载能力不满足正常设计荷载的使用要求的问题，对主跨混凝土箱型梁梁肋部分沿纵向分别新增单工字钢HN400x200 和双工字钢HN400x200，并沿主跨纵向每1.5 m 设置横向工字钢HN400x200，所有新增工字钢均通过自锁锚杆与原混凝土箱梁连接，具体详图6 所示。

图6 主跨加固示意图

针对大桥边跨刚度不足、承载能力不满足正常设计荷载的使用要求的问题，对T 型混凝土梁进行包钢加固，截面增高200 mm；并在横隔板处对T 型混凝土梁进行满包钢加固，并在横隔板底部新增12 mm 钢板。所有新增钢板均通过对穿植筋或植筋与原混凝土结构连接，具体详见图7 所示。

图7 边跨加固示意图

6 结论

（1） 本项目结构类型为悬链线钢筋混凝土箱型拱桥，针对此桥设计静载与动载试验并实施，建立相应的有限元模型，确定了该桥的刚度不足，且在正常设计荷载下承载力不满足现行规范要求。

（2） 针对伸缩缝堵塞、不能自由变形现象，给出一种造价低、便于施工、工期短的伸缩缝改造方法。

（3） 对于该桥主跨和边跨的刚度不足、承载能力不满足正常设计荷载的使用要求的问题，对混凝土梁进行新增钢梁和包钢的方案，对结构进行加固，确保结构刚度与承载力满足现行规范要求。