三角式桁架拱桥技术状况及承载力评定

张毅

摘要 对于三角式桁架拱桥，通过技术状况评定与荷载试验相结合的方法确定桥梁承载能力。通过测量混凝土强度、混凝土碳化、混凝土钢筋锈蚀电位、混凝土钢筋保护层厚度、外观缺陷，利用软件计算对作用效应与抗力效应进行比较；再通过荷载试验判定桥梁是否满足现行规范及技术要求。结果表明，静挠度及静应变部分校验系数超过相关规范规定值，说明结构强度不满足设计要求；结合技术状况评定为三类以及荷载试验结论，综合评定该桥承载能力不满足设计等级的要求。

关键词 技术状况评定；承载力评定；材质状况；荷载试验

中图分类号 U445.72文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0108-03

0 引言

桥梁承载力评定是对桥梁在规划使用期限内的使用功能和承载能力作出的评价。承载能力评定主要通过荷载试验对桥梁整体承载力进行测试，通过静载试验、动载试验结合模型的计算对桥梁承载力作出评价，其内容应包括安全性、耐久性和适用性三个方面。该文通过某三角式桁架拱桥技术状况以及承载力的评定，取得桥梁结构参数、检测数据，为桥梁使用功能、使用价值和结构承载力的综合评定提供基础数据。

1 概述

1.1 依托工程概况

某三角形式桁架拱桥是某国道的重要交通桥梁，是过境大型载重车辆通过的重要线路，其对地方经济发展以及过境车辆绕行起着至关重要的作用。该桥建成于2003年，由于常年超重车辆通行导致病害较多，于2014年进行了维修加固。该桥全长103.32 m，上部结构为1～70 m的混凝土桁架拱，拱轴线为二次抛物线，桥梁采用1/6的矢跨比，采用转体法施工；桥宽为12.50 m，形式为1.75 m（人行道）+9.00 m（行车道）+1.75 m（人行道），桥面设置双面2%横坡；下部结构桥台为重力式台，采用C15片石混凝土砌筑，基础为两台阶的扩大基础，拱脚采用钢筋混凝土桩柱式基础；设计荷载等级为汽车-20、挂车-100，设计洪水频率为1/100[1]。

1.2 该桁架拱桥现状

该桥外观缺陷如表1所示。

1.3 技术状况评定结果

该桥技术状况评定情况如表2所示。

2 桥梁缺损材质状况检查

2.1 桥梁材质强度检测评定

该桥材质状况评定标度汇总如表3所示。

2.2 桥梁结构自振频率检测评定

该桥自振频率评定结果如表4所示。

3 荷载试验

3.1 静态测点

静态应变测点布置：1#截面为拱顶（L/2处）截面，2#截面为拱脚截面，共布置2个应变测试截面；静态挠度测点布置：1#截面为拱顶（L/2处）截面，布置1个挠度测试截面。

3.2 动态测点

（1）冲击系数。根据规范计算该桥冲击系数：μ=0.176 7lnf?0.015 7=0.171。

（2）基频。在1#截面处布设2个动应变测点，1#截面处桥面上布设2个竖向振动测点。通过Midas Fea3.6计算分析，该桥的基频为2.87 Hz。

3.3 试验工况及加载方案

该桥采用桥梁通用分析程序Midas Civil建立桥梁计算模型。其中，桁架、横梁、上弦杆、腹杆及剪刀撑均采用梁单元模拟，桥面板则采用板单元模拟，理论计算采用有限元模型[4]。

按《公路桥涵设计通用规范》，车辆双向行驶时应按2车道布载对移动荷载加载分析，以最不利弯矩控制设计[5]。该桥静载试验分为四个试验工况，每种工况分四级进行偏载、中载加载，各工况均采用两列车队加载。工况1：三车辆横向加载位置如图1所示；工况2：四车辆横向加载位置距人行道2.05 m起算，其他位置如图1所示。工况1、工况2对应的1#截面（拱顶截面）测试，1#截面各测点应变及1#截面的挠度加载位置，纵向布载在距拱脚35 m位置和30.5 m位置，如图2所示。工况3、工况4：对应的2#截面（拱顶截面）测试，2#截面各测点应变加载位置从伸缩缝位置起算16.5 m和21.5 m位置。

4 桥梁承载力评定

4.1 静载试验数据分析

4.1.1 结构挠度-变形

（1）工况1荷载作用下，所有挠度测点实测挠度值大于理论挠度值，平均校验系数为1.207；工况2荷载作用下，1-2#拱肋测点实测挠度值大于理论挠度值，平均校验系数为1.024，说明桥梁刚度不满足要求。

（2）工况1荷载作用下，相对残余挠度最大值为18.9%，平均值为15.9%；工况2荷载作用下，相对残余挠度最大值为11.5%，平均值为10.3%，符合桥梁结构处于弹性工作状态时相对残余挠度不大于20%的规定。

4.1.2 结构应力-应变特性

（1）工况1偏载荷载作用下，拱顶截面共有6个测点应变校验系数大于1，校验系数最大值为1.867，平均值为0.910；工况2中载作用下，拱顶截面共有5个测点应变校验系数大于1，校验系数最大值为2.158，平均值为1.012。

（2）工况3偏载荷载作用下，拱脚截面共有4个测点应变校验系数大于1，校验系数最大值为1.333，平均值为0.604；工况4中载作用下，拱脚截面共有4个测点应变校验系数大于1，校验系数最大值为1.750，平均值为0.671。

4.2 动载试验数据分析

冲击系数测试结果如表5所示，动应变所测试得出的沖击系数平均值为0.048，小于理论值0.171，说明该桥整体在正常工作状态下的动力性能良好。

4.3 自振频率

从自振频率实测值和计算值的对比、频域分析曲线可以看出：

①振动曲线符合连续梁的振动方式。②振动加速度时域曲线合理。③从环境激励法测试频域分析曲线，可以得出实测频率为3.56 Hz，大于理论计算值2.87 Hz，说明桥梁结构动力性能满足要求[6]。

4.4 承载力评定结果

4.4.1 基本几何尺寸

经测量，该钢筋混凝土桁架工桥梁总长度、桥面宽度、桥梁跨径组合、主要构件几何尺寸与设计基本一致。

4.4.2 桥面线形及拱轴线

桥面线形：左车道、中线、右车道桥面线形基本一致，数据吻合。桥面线形总体圆滑，无明显折线、突变。

拱轴线：各个测点拟合得到的1-1#、1-2#拱肋拱轴曲线圆滑、无折线、无突变、拱轴线正常。

4.4.3 材质强度检测评定

对该桥1-1#拱片、1-2#拱片、左侧1-1#斜撑、右侧1-1#斜撑进行回弹强度测定，依据混凝土桥梁结构或构件实测强度最小值或测区平均换算强度推定值最小为35.7 MPa，大于设计值30 MPa，确定混凝土强度的评定标度为1。

4.4.4 混凝土钢筋锈蚀电位检测评定

混凝土中钢筋锈蚀电位采用半电池电位法，电极采用硫酸铜电位电极，在每个测区布置20个测点。并根据混凝土中钢筋发生锈蚀的概率和锈蚀活动性，按照锈蚀区锈蚀电位最低值进行评定。然后，根据混凝土中钢筋发生锈蚀的概率和锈蚀活动性，对该桥1-1#拱片、1-2#拱片、左侧1-1#斜撑、右侧1-1#斜撑位置进行钢筋锈蚀电位检测，按照锈蚀区锈蚀电位的最低值评定标度为2。

4.4.5 碳化状况检测评定

混凝土碳化深度的方法如下：

（1）回弹值测量完毕后，在有代表性的位置上测量碳化深度值，测点数不少于构件测区数的30%。取所有碳化深度测点测值的平均值，作为该构件每测区的碳化深度值。

（2）当各个碳化深度测点的碳化深度测值的差值大于2.0 mm时，可能表示该构件混凝土强度不均匀，因此应对每一回测区均进行碳化深度的测量。

根据以上原则对1-1#拱肋、1-2#拱肋进行碳化深度检测，依据测区混凝土碳化深度平均值与实测混凝土保护层厚度平均值的比值，混凝土碳化评定标度为2。

4.4.6 钢筋保护层厚度检测评定

用电磁感应法测试钢筋位置，对已进行过混凝土碳化深度专门测量的部位或者钢筋锈蚀电位测试结果表明钢筋可能锈蚀活化的部位进行检测。根据检测构件或部位的钢筋保护层厚度特征值与设计值的比值，对1-1#拱肋测定值为0.81的评定标度为3，对1-2#拱肋测定值为0.18的评定标度为5，取其中的最小值，故确定钢筋保护层厚度评定标度为5，钢筋易失去碱性保护、发生锈蚀。

4.4.7 结构自振频率检测评定

采用环境激励法对该桥自振频率进行测试。在桥面安置高灵敏的速度传感器，通过测定由风荷载、地脉动等随机激励引起的桥梁微幅振动，识别结构的自振特性，对采集的长样本信号进行能量平均以便消除随机因素影响。一般检测时间在25 min以上才能消除随机影响，避免不需要的能量信号干扰最终结果。

该桥上部结构理论计算自振频率为2.87 Hz，现场实测自振频率为3.56 Hz，桥梁自振频率评定标度为1。

5 结论

近年大量的桁架拱桥出现了不同程度的病害，由于产生原因的复杂性导致表现形式多种多样。该文研究案例在加固后运行十年，又出现以下病害：该桥斜撑环向裂缝；桥面板混凝土破损、露筋、水蚀等病害主要位于护栏底面挑梁部位，未更换部分桥面板；横梁、挑梁混凝土剥落、露筋、钢筋保护层厚度不足，维修加固施工时，由于碰撞等导致混凝土破损、露筋。

技术状况以及无损检测表明，该桥主要受力构件如拱肋钢筋，锈蚀电位检测显示有锈蚀活动性，但锈蚀状态不确定，可能锈蚀；且有轻微碳化现象，钢筋易失去碱性保护，发生锈蚀，且粘贴钢板也受渗水侵蚀影响。

荷載试验表明，该桥加固后运行十年桥梁结构强度不满足设计要求，桥梁安全储备不足。结合技术状况评定为3类以及荷载试验结论，综合评定该桥承载能力不满足公路Ⅱ级要求，建议对过往车辆采取限载限速通行措施，对该桥进行加固或改造。

参考文献

[1]王瑞达， 周敏. 大跨度钢筋混凝土桁架拱桥加固实例及加固效果分析[J]. 青海交通科技， 2017（2）： 96-100+107.

[2]公路桥梁技术状况评定标准： JTG/T H21—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[3]公路桥梁承载能力检测评定规程： JTG/T J21—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[4]许智星. 某钢筋混凝土桁架拱桥检测加固及荷载试验[J]. 福建交通科技， 2021（4）： 74-77.

[5]公路桥涵设计通用规范： JTG D60—2015[S]. 北京：人民交通出版社， 2015.

[6]公路桥梁荷载试验规程： JTG/T J21-01—2015[S]. 北京：人民交通出版社， 2015.