大跨度钢管混凝土拱桥动力性能测试及加固方案研究

程力

摘要：为研究大跨度钢管混凝土拱桥动力特性，以沈阳市浑河长青大桥为工程案例，对其进行了脉动试验测试和强迫振动试验，建立了有限元计算模型，将计算结果与实测数据进行了对比，二者吻合良好;并针对改善桥面系刚度提出了四种加固方案，研究了四种加固方案对结构动力性能的改善作用。通过对比得出了钢管混凝土拱桥最适宜采用的加固改造方案，对类似桥梁加固改造起到了指导、参考作用。

关键词：钢管混凝土拱桥;动力性能;加固方案;自改

Dynamic Performance Test and Reinforcement Scheme research of Long-Span Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridge

Cheng Li

（China Railway 11^thBureau Group Fifth Engineering Co. Ltd.，Chongqing  400037，China）

Abstract：In order to investigate the dynamic characteristics of long-span concrete filled steel tubular arch bridge，this paper taking Chang-qing bridge in Shenyang as an engineering case，pulsating test and forced vibration test was done，the finite element calculation model was set up，the calculated results are compared with the measured data in good agreement. And four reinforcement schemes are proposed to improve the stiffness of bridge deck system，the improvement effect of four reinforcement schemes on the dynamic performance of the structure is studied in this paper.Through comparison，the most suitable reinforcement scheme is obtained.It has played a guiding and reference role in the reinforcement and reconstruction of similar bridges.

Key words：concrete filled steel tubular arch bridge;dynamic performance;reinforcement scheme;natural frequency;impact coefficient

1  前言

我國在上世纪九十年代至本世纪初建造了大量钢管混凝土拱桥^[1]，但其理论研究却远远滞后于工程实践。这些早期建成的钢管混凝土拱桥在常年运营过程中，开始逐渐暴露出诸如管内混凝土脱空^[2]不能与钢管协同受力、吊杆与系杆的锈蚀、疲劳等问题，尤其是采用悬吊体系的钢管混凝土拱桥桥面系整体刚度差，在移动车辆作用下桥面变形和振动大、桥面铺装使用寿命短的问题特别突出^[3]。本文以沈阳市浑河长青大桥为例，对其进行动力性能测试^[4]，并针对性地提出改造加固方案^[5，6]，以期类似工程参考。

2  工程背景

浑河长青大桥位于沈阳市东南部，是沈阳城区重要的交通要道，于1997年7月竣工通车，运营至今已二十余年。其主桥为三孔中承式钢管混凝土拱桥，净跨径为120m+140m+120m，南北边孔各为净跨径50m的空腹式钢筋混凝土肋拱桥，桥梁全长630m，桥宽32.5m。主孔计算跨径143.666m，计算矢高35.017m，矢跨比为1/4.103;边孔计算跨径123.223m，计算矢高26.488m，矢跨比为1/4.652。拱肋截面由四根上、下弦杆通过竖直腹杆、斜腹杆组成空间桁架，上、下弦杆内灌混凝土，主孔拱肋断面高3.4m，宽1.8m，边孔拱肋断面高3.0m，宽1.8m。横桥向两侧拱肋通过横向三道横撑连接成整体。桥面系采用悬吊体系，横梁采用PC箱型结构，桥面板为实心矩形板，厚度为25～35cm。

长青路是沈阳城市主干道，常年有大量重载货车通行，浑河长青大桥车致振动非常明显，导致桥面铺装常年破损，更换频率极高，并带来横梁局部裂缝、拱脚钢管混凝土局部脱空等病害，亟待解决。

3  动力性能测试

为研究浑河长青大桥动力性能，对其进行了脉动试验测试，通过谱分析得到桥梁结构自振特性;并对其进行了强迫振动试验（跑车试验和跳车试验），测量其动力响应，即桥梁的响应频率、振幅、动应变及冲击系数等，并对测得的桥梁动力响应值进行分析，获得桥梁的动力响应特性^[7]。

3.1  自振频率及阻尼比

采用ANSYS建立三维有限元仿真模型对浑河长青桥自振特性进行分析。采用等效土弹簧计算桩基础各向弹性刚度，计算抗推刚度比很大，因此可不考虑连拱效应，分别建立主跨、边跨单孔计算模型。拱肋各杆件、横梁、纵梁等均采用空间梁单元模拟，吊杆采用杆单元模拟，桥面板采用空间板单元模拟。主孔有限元模型如图3所示。

将浑河长青大桥动力测试所得到的自振频率及阻尼比与采用ANSYS三维有限元模型数值仿真模型计算结果对比见表1。

长青大桥竖向、横向实测值基频均大于计算频率，表明桥梁竖、横向整体动力刚度满足要求，这与外观检查时未发现拱肋明显病害、吊杆PE护套无破损、开裂、严重老化等现象的结论是一致的。

3.2  冲击系数

冲击系数是评价桥梁动力性能的重要参数。本次对长青桥主跨冲击系数的测试试验中，在跨中及1/4跨处分别布置测点，对不同车速的跑车试验数据统计如图4所示。

长青大桥主跨竖向基频为0.76Hz，按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）^[8]（后简称《通规》）回归公式计算，冲击计算值系数为1.05;按照《公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南》^[9]（后简称《指南》）回归公式μ=0.05736f+0.0748计算，冲击系数为1.118。而实测跨中测点冲击系数在1.14～1.26范围内，1/4跨测点冲击系数在1.12～1.18范围内，显著大于按照《通规》计算值，与《指南》计算值相对较为接近，二者均通过实测值回归冲击系数，将所有影响因素归结于结构竖向基频是值得探讨的，桥面状况显然是影响桥梁冲击系数的重要因素，长青桥桥面常年破损增大了车辆通过时的振动情况，车辆的振动反过来作为外部激励加剧了桥梁振动响应，二者耦合振動效应明显。

拱肋、桥面系面内反对称二阶

同时，由图4可知，车速对冲击系数有较大的影响，不同车速下的冲击系数存在约0.08的离散偏差，实测结果表明冲击系数在车速V=20km/h时最大，与文献[3]的结论基本一致，因此车速也是影响桥梁结构冲击系数的重要因素。

4  加固方案研究

通过现场测试可以判断，桥梁整体结构不存在显著问题，竖向及横向刚度均满足要求，但桥面局部破损严重导致车桥耦合振动效应明显，虽然长青大桥桥面铺装更换频率高，但依然无法根治桥面损坏病害，主要是因为桥梁采用悬吊体系，桥面系的整体纵向刚度较低，桥面系局部变形大、振动明显^[10]，解决该问题的关键在于如何有效地对整个结构进行刚度补强^[11，12]。拟定如表2所示四种加固方案。

4.1  对自振频率的影响

四种拟加固方案自振频率如图5。

4.2  对冲击系数的影响

为研究四种加固方案对长青桥的竖向动挠度的影响，本文定义相对冲击系数μ'为每一种加固方案控制位置最大动挠度与原结构最大静挠度。针对车速v=50km/h，对桥面跨中测试点、1/4跨测试点进行分析，计算结果见图6。

方案一对跨中桥面竖向挠度降低效果明显，相对冲击系数减小了27.9%，而对吊杆面积增加范围以外的1/4跨位置相对冲击系数仅减小了3.5%。

方案二跨中截面相对冲击系数降低了34.4%，1/4跨截面相对冲击系数也降低了15.9%，因此该加固方案在横梁之间增设纵梁，使得桥面系整体性能得到较大程度的改善，对结构竖向挠度影响十分显著。

方案三增加桥面板厚度对桥面系竖向刚度的提高有较明显的作用，跨中和1/4跨桥面相对冲击系数分别降低了23.8%和9.7%。桥面板厚度的增加很大程度的改善了桥面局部刚度，使得如横梁效应、爬坡效应等因为局部变形而产生的附加桥面不平整度大大减小;同时也应该注意到，对于已运营多年的旧桥来说，桥面板厚度的增加意味着恒载作用的增加，结构能否依然满足安全及变形要求，这也是必须谨慎考虑的问题。

方案四综合了前三种方案，显然对结构竖向刚度增加的效果是最明显的，跨中截面和1/4跨截面相对冲击系数分别降低了46.7%和21.2%。方案四对结构竖向刚度的提高近似为前三种方案各自贡献的叠加，推荐采用。

5  结束语

本文以沈阳浑河长青大桥为工程案例，对其进行了现场动力测试，测试结果表明：

（1）其结构整体竖向、横向实测值基频均大于计算频率，桥梁整体竖、横向整体动力刚度满足要求;

（2）实测冲击系数明显大于按照规范计算值，建议对于钢管混凝土拱桥冲击系数理论计算时应考虑桥面状况和车速的影响。

针对长青桥现状提出了四种加固方案，并对四种方案对桥梁结构自振频率和相对冲击系数进行了研究，结果表明：

（1）四种拟加固改造方案对桥梁结构整体横向、竖向自振频率及振型影响很小;

（2）增加桥面系纵梁和增加桥面板厚度对结构相对冲击系数降低明显;方案四近似为前三种方案的叠加作用，推荐实施。

参考文献

[1]陈宝春. 钢管混凝土拱桥[M]. 北京：人民交通出版社，2007：277-293.

[2]俞文龙. 钢管混凝土脱空及PBL连接键影响分析[J].铁道建筑技术，2017（3）：28-31.

[3]王宗林，王潮海. 大跨径钢管混凝土拱桥的动力性能改造[J]. 公路交通科技，2006（11）：73-77.