雙曲拱橋加固后靜載試驗(yàn)研究

江 山

(1.安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥 230051;2.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230051)

雙曲拱橋加固后靜載試驗(yàn)研究

江 山1,2

(1.安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥 230051;2.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230051)

文章詳細(xì)介紹了某雙曲拱橋采用組合式拱肋的新型加固方法，并通過橋梁加固后的靜載試驗(yàn)，介紹了靜載試驗(yàn)方法及內(nèi)容，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，加固后橋梁承載能力滿足公路-Ⅱ級的要求。同時也表明，組合式拱肋的新型加固方法對提高雙曲拱橋承載能力和橫向整體性的加固效果顯著，對該類橋梁加固和承載能力檢測提供有益參考。

雙曲拱橋；組合式拱肋；靜載試驗(yàn)；承載能力

1 工程概況

某雙曲拱橋位于安徽省省道S326上。上部結(jié)構(gòu)為3孔凈跨徑29.6 m的雙曲拱橋， 6肋5波結(jié)構(gòu)。凈矢跨比為1/9.6。該橋20世紀(jì)60年代建成通車，運(yùn)營至2013年4月時經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，其縱向中心線位置拱波片沿波頂中心連線處斷裂，主拱肋及墩臺滲水嚴(yán)重，橋面鋪裝出現(xiàn)大量縱橫向裂縫，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)和人車通行安全，并評定為四類橋。

1.1 主要病害及原因

(1) 由于原橋未設(shè)置沉降縫，橋面鋪裝在起拱線對應(yīng)位置出現(xiàn)橫向貫通裂縫。

(2) 橋面在橋梁中心線處出現(xiàn)縱向裂縫，且橋梁中心線處拱波斷裂，是由于橋梁橫向聯(lián)系薄弱，重載車輛較多，且車輛偏載行駛現(xiàn)象嚴(yán)重造成。

(3) 由于橋面鋪裝損毀嚴(yán)重，泄水管堵塞，排水不暢，雨水下滲至拱板及拱上立柱，造成立柱及拱底滲水析白，混凝土碳化嚴(yán)重。

為保證過往車輛及行人安全，針對該橋的病害特點(diǎn)及原因分析，確定了利用原橋下部結(jié)構(gòu)、拆除并重新設(shè)置拱上建筑的加固設(shè)計方案。

1.2 加固方案

(1) 拆除原拱上建筑，對原有主拱肋進(jìn)行鑿毛處理，采用C40微膨脹混凝土填平拱波波谷至高出拱波15 cm，形成新的拱板與原拱肋共同受力的組合式拱肋。

(2) 采用增大截面的方法對橋臺和橋墩處的拱腳進(jìn)行加固處理。

(3) 修復(fù)主拱肋、拱波及橫系梁的現(xiàn)有缺陷，主要為裂縫封閉、破損混凝土修復(fù)、銹蝕鋼筋的處理。

(4) 重新設(shè)置拱上建筑，增設(shè)板式橡膠支座，澆筑現(xiàn)澆連續(xù)板，將原橋梁拱上建筑轉(zhuǎn)換為梁式結(jié)構(gòu)。

(5) 重新設(shè)置橋面系，新橋面較原橋面抬高30 cm，完善橋梁接線。

由于本橋病害為雙曲拱橋型較為典型的病害，相關(guān)部門將該橋作為專項(xiàng)研究工程，采取組合式拱肋的新型加固方法進(jìn)行橋梁加固，加固后的設(shè)計荷載采用公路-Ⅱ級，并在施工結(jié)束后進(jìn)行成橋靜載試驗(yàn)以檢驗(yàn)加固效果。

2 靜載試驗(yàn)

評估拱式結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的結(jié)構(gòu)行為一般從抗彎能力、變形能力、裂紋分布及狀態(tài)3 個方面進(jìn)行。根據(jù)拱式結(jié)構(gòu)在最不利截面處的上述行為表現(xiàn)可以很好地評價主拱結(jié)構(gòu)的工作性能。在擬定試驗(yàn)方案時，根據(jù)一般工程載重車輛情況，并兼顧考慮該橋重載車輛較多，且偏載情況嚴(yán)重，同時結(jié)合該橋的受力特點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范的要求來確定試驗(yàn)車輛重量和試驗(yàn)加載方案[1-11]。

2.1 計算分析

利用橋梁專用有限元計算分析軟件MIDAS/Civil建立有限元模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，計算在試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)控制測點(diǎn)的位移、應(yīng)變(應(yīng)力)等參數(shù)。該橋原設(shè)計荷載等級不詳，本次荷載試驗(yàn)的控制荷載為公路-Ⅱ級，結(jié)構(gòu)計算模型如圖1所示。

圖1 橋梁計算模型

2.2 靜載試驗(yàn)工況設(shè)置

在求得橋梁在控制荷載作用下的內(nèi)力后，確定試驗(yàn)截面，如圖2所示。并根據(jù)各控制截面影響線，按受力最不利原則確定車輛加載方案，典型工況加載布置圖見圖3～圖6所示。試驗(yàn)車輛為2輛單車重量為420 kN的后雙軸車，各工況試驗(yàn)荷載效率見表1所列。主要試驗(yàn)加載工況如下:

(1) 工況一：第1跨近拱頂A截面最大正彎矩偏載試驗(yàn)，測試A截面拱肋各測點(diǎn)的撓度和應(yīng)變。

(2) 工況二：第1跨拱頂B截面最大正彎矩偏載試驗(yàn)，測試B截面拱肋各測點(diǎn)的撓度和應(yīng)變。

(3) 工況三：第1跨1#墩拱腳C斷面最大負(fù)彎矩偏載試驗(yàn)，測試C截面拱肋各測點(diǎn)應(yīng)變。

(4) 工況四：第2跨1/4跨D斷面最大正彎矩偏載試驗(yàn)，測試D截面拱肋各測點(diǎn)撓度和應(yīng)變。

圖2 試驗(yàn)控制截面布置圖(cm)

表1 靜載試驗(yàn)效率系數(shù)

圖3 工況一車輛加載布置圖(cm)

2.3 靜載試驗(yàn)測點(diǎn)布置

主要測試結(jié)構(gòu)各控制截面的變形(撓度)和應(yīng)變(應(yīng)力)。撓度采用機(jī)械式百分表測試，應(yīng)變采用電阻應(yīng)變片及靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)測試。各截面測點(diǎn)布置見圖7所示。

圖4 工況二車輛加載布置圖(cm)

圖5 工況三車輛加載布置圖(cm)

圖6 工況四車輛加載布置圖(cm)

圖7 試驗(yàn)截面應(yīng)力及撓度測點(diǎn)布置(cm)

2.4 靜載試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 拱肋撓度

在各工況試驗(yàn)荷載作用下，測試拱肋實(shí)際撓度并與理論值相比較。典型工況下拱肋撓度實(shí)測值及理論值見圖8～圖11所示。撓度以向下為正。

撓度是一個反映結(jié)構(gòu)受力性能的綜合性指標(biāo),撓度校驗(yàn)系數(shù)的大小直接反映構(gòu)件承載能力的好壞。

圖8 工況一荷載作用下A截面測點(diǎn)撓度

圖9 工況二荷載作用下A截面測點(diǎn)撓度

圖10 工況三荷載作用下A截面測點(diǎn)撓度

圖11 工況四荷載作用下A截面測點(diǎn)撓度

對實(shí)測值與理論分析值的分析結(jié)果表明: 各截面測點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)均值在0.55～0.86，而鋼筋混凝土拱橋的撓度校驗(yàn)系數(shù)通常在0.50～1.00之間，可見本橋的撓度校驗(yàn)系數(shù)在常值范圍內(nèi)，說明橋跨結(jié)構(gòu)在等效試驗(yàn)荷載作用下變形性能和靜力剛度較好，能夠滿足公路-Ⅱ級荷載的使用要求。

2.4.2 拱肋應(yīng)變

在各工況試驗(yàn)荷載作用下，測試拱肋實(shí)際應(yīng)變并與理論值相比較。典型工況下拱肋應(yīng)變實(shí)測值及理論值見圖12～圖15所示。

圖12 工況一荷載作用下A截面測點(diǎn)應(yīng)變

圖13 工況二荷載作用下A截面測點(diǎn)應(yīng)變

對實(shí)測值與理論分析值的分析結(jié)果表明: 各截面測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均值在0.52～0.88，而鋼筋混凝土拱橋的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)通常在0.50～0.90之間，可見本橋的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在常值范圍內(nèi)，這說明橋跨結(jié)構(gòu)在等效試驗(yàn)荷載作用下強(qiáng)度較好，能夠滿足公路-Ⅱ級荷載的使用要求。

圖14 工況三荷載作用下A截面測點(diǎn)應(yīng)變

圖15 工況四荷載作用下A截面測點(diǎn)應(yīng)變

2.4.3 橋梁彈性恢復(fù)性能

卸載后間隔15 min讀取殘余值，撓度測點(diǎn)最大相對殘余變形為5.66%，應(yīng)變測點(diǎn)最大相對殘余應(yīng)變?yōu)?.86%，相對殘余值均小于規(guī)范要求的20%，說明橋梁具有較好的彈性工作性能。

從表1可知,當(dāng)最大工況分別作用于各測試截面的最不利載位時,控制測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變值均未超過理論值,校驗(yàn)系數(shù)主要分布在0.40～0.60之間,說明該橋所測構(gòu)件的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求。卸載后殘余應(yīng)變較小,最大殘余應(yīng)變僅為最大荷載作用下變形的17% ,說明該跨應(yīng)變回零情況較好。

2.4.4 裂縫分析

在試驗(yàn)前后，對橋梁典型控制截面進(jìn)行裂縫檢查，未發(fā)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生。

3 結(jié)束語

(1) 在試驗(yàn)荷載(2輛42 t汽車) 作用下，橋梁撓度校驗(yàn)系數(shù)及應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，表明該橋承載能力能滿足公路-Ⅱ級設(shè)計荷載的正常使用要求。

(2) 結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下，撓度及應(yīng)變沿橋梁橫向分布較均勻，橫向聯(lián)系效果良好。

(3) 試驗(yàn)荷載卸載后，結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)相對殘余變形(應(yīng)變)均小于20%，結(jié)構(gòu)的彈性恢復(fù)性能良好。

(4) 試驗(yàn)前后，未發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生。

綜合分析認(rèn)為，采用組合式拱肋的新型加固方法加固后的該雙曲拱橋整體受力性能良好，加固效果顯著，滿足公路-Ⅱ級的設(shè)計荷載要求。

4 建 議

(1) 建議在拱頂及拱腳關(guān)鍵部位增設(shè)永久位移觀測點(diǎn)，定期對其豎向沉降及水平位移進(jìn)行觀測。

(2) 建議按照養(yǎng)護(hù)規(guī)范要求委托具有相關(guān)資質(zhì)的檢測單位對橋梁進(jìn)行定期檢查，當(dāng)病害原因難以判斷時，進(jìn)一步采用荷載試驗(yàn)的方式檢驗(yàn)橋梁實(shí)際承載能力，并積累技術(shù)資料以掌握橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)和材質(zhì)退化情況。

(3) 鑒于橋梁位處交通繁忙的省道交匯口，車流量大，重載車輛多，偏載情況嚴(yán)重等因素，建議管養(yǎng)部門進(jìn)行適當(dāng)限載，引導(dǎo)車輛行進(jìn)路線，減少嚴(yán)重偏載對橋梁結(jié)構(gòu)造成的損傷。

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2016-10-22；修改日期：2016-10-26

江 山(1983-)，男，安徽合肥人，安徽省公路工程檢測中心工程師．

U448.34;U448.224

A

1673-5781(2016)05-0659-04