陈亮丰

(福建省永正工程质量检测有限公司 福建福州 350012)

0 引言

悬臂梁桥，又称伸臂梁桥，是将简支梁向一端或两端悬伸出短臂的桥梁。这种桥式有单悬臂梁桥和双悬臂梁桥。悬臂梁桥往往在短臂上搁置简支的挂梁，相互衔接构成多跨悬臂梁。由于减小跨中正弯矩，可节省材料，增大跨径，故悬臂梁桥为我国20世纪60年代～90年代期间，为解决桥梁跨度不足而使用的一种结构。

近年来，随着交通量的剧增以及车辆荷载的增加，桥梁材质状况的退化，大部分悬臂梁桥出现了严重病害。目前针对悬臂梁桥加固方法及效果的研究较少[1-2]，本文以南平市某加固悬臂梁桥为研究背景，结合加固前后桥梁静载试验和动载试验[3]，对桥加固效果进行评估，以期为类似工程提供借鉴。

1 概述

1.1 工程概况

南平市某悬臂梁桥始建于1953年间，1956年建成通车。该桥为10跨钢筋混凝土简支伸臂梁桥，桥长289.2 m，跨径组合为12.6 m+8× 33.0 m+12.6 m，桥面净宽为9.0 m，结构形式为每组在两墩上简支，由简支端向墩外伸臂9.5 m，与相邻一组的伸臂梁间再挂上一孔14.0 m的吊梁。桥面铺装采用水泥混凝土；上部为型断面的梁板结构；下部结构为重力式墩台。原设计荷载为汽-13级，拖(履)-60级，人群荷载3.5 kN/m2。桥梁桥型布置图如图1所示。

1.2 主要病害与加固措施

2008年，该桥经外观检测被评定为三类桥梁，荷载试验表明，该桥能够满足原设计标准的通行能力。2012年，该桥经外观检测发现主要病害有：①桥面铺装存在多处破损碎裂；②挂孔段及悬臂梁跨中区域主梁梁底存在较多横向超限[4]裂缝，部分裂缝延伸至腹板并向上延伸，且缝宽超限；③支座负弯矩附近梁体顶板横向裂缝较多，大部分裂缝从翼缘板边缘贯穿整个顶板；④牛腿处存在剪切破坏。经外观检测结果，该桥被评定为D级(不合格级)。

其后该桥进行了维修加固，主要方法为：①破除旧有桥面铺装更换10cmC40钢筋混凝土铺装，铺装层内布置高强钢筋网；②挂孔段及悬臂梁跨中区域主梁采用碳纤维布包裹；③腹板超限裂缝采用压力灌浆封闭并黏贴碳纤维布；④在牛腿开裂处粘贴斜向钢板加固。对加固后的桥梁进行荷载试验，并对比加固前后桥梁荷载试验数据进行对比，以验证其加固效果。

(a)立面布置图

(b)横向布置图

2 桥梁荷载试验方案

2.1 桥梁受力特点

悬臂梁桥兼有简支梁桥和连续梁桥的特点，桥梁跨中受正弯矩作用，支点受负弯矩作用。悬臂梁桥挂梁端部一般设有接缝，车辆经过时对桥梁的冲击比一般桥梁大；牛腿受较大剪力作用，为其受力薄弱点。

2.2 静载试验方案

(1)有限元模型的建立

应用MIDAS/Civil有限元软件建立桥梁的空间有限元计算模型，该模型包含220个梁单元，采用连续梁模拟，挂孔段梁端释放梁端约束，有限元模型如图2所示。

图2 桥梁MIDAS有限元模型

(2)静载工况及内容

从上文受力特点分析中可知，悬臂梁桥既受正弯矩作用，也受负弯矩作用。因此，本次试验采用最不利受力方式进行布载，测试断面如图3所示，拟进行的试验工况及内容如表1所示。

(3)试验荷载

以原设计荷载等级(汽-13级，拖(履)-60级，人群荷载3.5 kN/m2)为试验荷载，进行等效加载。根据桥梁结构现状，本次静载试验采用汽车加载方式，在荷载效率η范围内对桥梁加载重量进行计算，最后确定采用2部约30 t重两轴载重汽车进行加载，现场实际所用加载车辆如表1所示。

表1 各工况试验内容及荷载效率

(4)各工况加载效率

依据设计荷载等级要求，对桥梁结构在最不利荷载组合下产生的内力进行详细计算，并通过布置荷载工况，使现场加载产生的内力与设计荷载产生的理论内力的比值符合桥梁试验规范的要求。本次静载试验荷载效率为0.96～1.03，静载试验荷载效率满足规范[5]要求，具体加载效率如表1所示。

(5)应变测点布置、挠度测点布置

应变测试截面如图3所示，测点布置如图4所示。梁挠度测点编号及布置如图5所示。

图3 测试断面示意图(单位：cm)

(a)挠度测点布置截面

(b)挠度测点横向布置图5 挠度测点布置及编号(单位:cm)

2.3 动载试验方案

(1)桥梁自振特性试验

桥梁的自振频率的大小与桥梁刚度正相关，通过测试桥梁加固前后自振频率的变化能体现桥梁刚度的变化。在桥面一侧行车道边缘放置加速度传感器，测点布置在桥面上，通过对加速度信号进行分析，测试桥梁的自振频率及振型。

(2)无障碍行车试验

通过加固前后桥梁无障碍试验，得出车辆对桥梁冲击系数的改变，通过桥面加速度的改变，反映加固前后桥梁行车舒适性的变化。

3 静动载试验结果与分析

3.1 挠度结果分析

本次试验挠度检测结果如表2所示，表中挠度以向下为正值，向上为负值。

表2 各工况挠度检测结果汇总表

由表3可知：在各工况荷载作用下，实测控制截面的挠度值均小于理论值，挠度校验系数在0.49～0.89之间，满足规程[3]中规定的不大于1.00的限值要求。相对残余变形在0～14.67%之间，满足规程[3]中规定的相对残余变形限值要求(限值20%)。由此可见，在试验荷载作用下，所检桥跨试验控制截面的刚度满足规范要求。加固前后桥梁静载试验挠度校验系数对比表明，加固后挠度校验系数较加固前明显减小，由此可见该桥加固后桥梁刚度有所提升。桥梁刚度的提升主要来源于桥面铺装的更换，说明采用更换此类桥面铺装能有效提高桥梁整体刚度。

3.2 应变结果分析

本次静载试验应变检测结果如表3所示，表中应变以受压为负值，受拉为正值。

表3 各工况应变检测结果汇总表

由表3可知：在各工况荷载作用下，实测控制截面的混凝土应变值均小于理论值，应变校验系数在0.50～0.92之间，满足规程[3]中规定的校验系数小于1.0的要求。相对残余应变在1.04%～13.33%之间，满足规程[3]中规定的相对残余应变限值要求(限值20%)。由此可见，在试验荷载作用下，所检桥跨试验控制截面的强度满足规范要求。加固前后桥梁静载试验应变校验系数对比表明，加固后桥应变校验系数较加固前有所减小，由此可见该桥加固后强度有所提升。桥梁强度的提升主要来源于梁体裂缝的修补以及碳纤维布包裹，说明此类裂缝修复方式能提高桥梁整体强度。

3.3 桥梁自振特性测试结果整理

将实测的加速度信号经过实验模态分析可得， 实测桥梁的竖向一阶自振频率为3.13 Hz，大于有限元分析得到的竖向一阶自振频率(2.53 Hz)，且大于加固前桥梁自振频率(2.93 Hz)，表明加固后桥梁的刚度有所提升。桥梁实测振型与计算振型如图6所示。

(a)加固前实测振型图(2.93 Hz)

3.4 无障碍行车试验结果整理

将桥梁应变及加速度时程曲线进行时域分析后，得出不同车速下对桥梁的冲击系数及桥面加速度列于表4～表5。

表4 实测冲击系数

表5 桥面实测加速度

由表4及表5可知，在无障碍行车情况下，车辆对桥梁主桥的冲击系数最大值为μ=0.18，小于规范[6]规定的设计计算取值μ=0.19(桥梁竖向基频实测值为3.13 Hz)。测试截面最大加速度响应为0.057 g，小于人体不适的限值0.065 g。加固前后桥梁无障碍行车冲击系数及加速度测量结果对比表明，桥梁加固后，车辆对桥梁的冲击及桥面振动较加固前均有所增大，表明此类加固方法不能改善车辆对桥梁的冲击，减轻桥梁的振动，因为桥梁刚度增加造成桥梁频率的增大，造成车辆对桥梁的冲击及桥梁振动的增大。

4 结语

通过该悬臂梁桥的静动载试验可得出以下结论：①在试验荷载作用下，测点应变及挠度校验系数、相对残余均符合规范要求，桥梁处于弹性工作状态；②桥梁实测一阶频率大于有限元计算频率，桥梁实际刚度较大；③在无障碍行车试验荷载作用下，桥梁实测冲击系数符合规范要求，桥梁工作状态良好；④综合以上，该桥梁经加固后可满足汽-13、拖-60荷载等级的通行要求；⑤加固后桥梁静载试验挠度校验系数较加固前明显减小，加固后桥梁实测竖向一阶自振频率大于加固前实测竖向一阶自振频率，可见该加固方法可以提升桥梁刚度，应变校验系数较加固前也有所减小，可见该加固方法对桥梁强度也有所提升；⑥桥梁加固后，车辆对桥梁的冲击及桥面加速度幅值较加固前有所增大，表明采用该方法加固此类悬臂梁桥，会增大车辆对桥梁的冲击，降低行车舒适性。