桁架拱橋鋼板加固前、后實橋試驗對比分析

孫全勝， 仇天天

(東北林業(yè)大學(xué)， 黑龍江 哈爾濱　150040)

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桁架拱橋鋼板加固前、后實橋試驗對比分析

孫全勝， 仇天天

(東北林業(yè)大學(xué)， 黑龍江 哈爾濱150040)

為了探究粘貼鋼板加固桁架拱橋的加固效果，以工程實際橋梁為例，采用有限元分析軟件Midas/Civil建立該橋的空間模型，分別對加固前后橋梁進行靜載試驗，通過對比分析加固前后的實測撓度值與應(yīng)變值，得出結(jié)構(gòu)的撓度值和應(yīng)變值分別下降了29.2%和21.2%，表明鋼板加固提高了結(jié)構(gòu)的剛度和強度，且結(jié)構(gòu)的極限承載能力已滿足公路-Ⅱ級設(shè)計荷載等級的要求，為同類型現(xiàn)有橋梁的維修加固提供一定的參考借鑒作用。

桁架拱橋； 靜載試驗； 對比分析

0　前言

桁架拱橋是繼雙曲拱橋之后發(fā)展起來的一種輕型拱式結(jié)構(gòu)，它具有用料省、自重輕、整體性強等特點。自上世紀六七十年代以來，在我國各省市地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。

由于當(dāng)時設(shè)計經(jīng)驗、施工技術(shù)不夠成熟、施工質(zhì)量控制不嚴、以及結(jié)構(gòu)自身的缺陷和缺乏科學(xué)管理，在長期超負荷運營情況下，早期修建的荷載標準低的桁架拱橋出現(xiàn)不同程度的破損和損傷，對橋梁的安全運營構(gòu)成一定的威脅，因此急需進行加固維修。

1　工程概況

某桁架拱橋采用鋼筋混凝土材料，重力式墩臺，擴大基礎(chǔ)，橋跨布置為3×50 m，凈跨徑為50 m，凈矢高為5 m，矢跨比為1/10，橋梁全長179 m，橫斷面布置為7 m(行車道)+2×1.0 m(人行道)，橋面鋪裝采用水泥混凝土，橋型布置圖和標準橫斷面圖，如圖1、圖2所示。

圖1　橋型布置圖Figure 1　Bridge layout diagram

圖2　標準橫斷面圖(單位： cm)Figure 2　Standard cross-sections(unit： cm)

該橋于1985年修建完成，自運營工作以來，陸續(xù)出現(xiàn)了不同程度的病害，主要包括上弦桿混凝土剝落、掉角，且存在豎向裂縫及橫向裂縫，下弦桿混凝土剝落、掉角，桁架拱片及拱腳存在裂縫，微彎板存在滲水、泛白、鋼筋外露銹蝕現(xiàn)象、節(jié)點混凝土剝落、開裂等病害。

2　主要加固措施

根據(jù)該橋的技術(shù)狀況以及存在的主要問題，采用橋梁專用有限元計算分析軟件Midas/Civil建立該橋空間有限元計算模型對其進行計算，如圖3所示；根據(jù)計算結(jié)果采取了以下主要加固措施： ①拱頂實腹段粘貼5 mm厚鋼板。 ②拱腳2 m范圍內(nèi)粘貼鋼板，拱背鋼板厚度為8 mm，拱腳側(cè)面及底面鋼板厚度為5 mm。 ③在橫梁底面粘貼5 mm厚鋼板，全橋共加固21道橫梁，并且對存在裂縫的節(jié)點粘貼鋼板。 ④在橋墩及橋臺處設(shè)置TST伸縮縫，全橋共4道。

圖3　Midas/Civil計算模型Figure 3　Midas/Civil calculation model

3　加固前后實橋試驗對比分析

由于對加固前后實橋試驗結(jié)果進行對比分析，因此測點布置、試驗工況及所用驗算模型應(yīng)保持一致。

3.1加載工況及荷載效率

由于拱肋較高，橋下水流端急，且各跨的結(jié)構(gòu)型式相同，故選取第三跨進行荷載試驗，撓度和應(yīng)變測點示意圖，如圖4、圖5所示。

圖4　撓度測點示意圖Figure 4　Deflection diagram of measuring points

圖5　應(yīng)變測點示意圖Figure 5　Strain measuring point

為了模擬拱頂截面最大彎矩效應(yīng)和拱腳截面最大軸力效應(yīng)，通過變換試驗車輛在橋面縱向的位置以保證荷載效率。具體分為2種工況：工況1：縱向中后軸布置在跨中，且加固前后的荷載效率分別為1.0和0.98；工況2：縱向前軸布置在距3#臺中線2.0 m處，且加固前后的荷載效率分別為0.97和0.99。

根據(jù)《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》中的建議值和 《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》規(guī)定建議值0.95～1.05范圍內(nèi)，而工況1、工況2的荷載效率均在規(guī)定的范圍內(nèi)，說明試驗加載是足夠充分的。

3.2截面撓度對比分析

撓度是反映結(jié)構(gòu)受力性能的一個綜合性指標，通過撓度的測定，不僅可了解結(jié)構(gòu)和剛度的變化情況，還可區(qū)分結(jié)構(gòu)的彈性和非彈性性質(zhì)。

跨中截面的各測點撓度如表1、圖6所示。

表1 跨中截面實測撓度與理論計算值對比表Table1 Crosssectioninthemeasureddeflectioncomparedwiththetheoreticalcalculationvaluetable編號理論值/mm實測值/mm前后前后M16.15.46.64.5M27.97.58.26.4M36.25.66.84.4殘余值校驗系數(shù)殘余度/%前后前后前后0.230.031.080.833.50.70.140.051.040.851.70.80.180.021.100.792.60.5

圖6　跨中截面撓度對比圖(單位： mm)Figure 6　　　　Across the section deflection of contrast figure　　　(unit： mm)

從表1、圖6可知：結(jié)構(gòu)加固前后各測點實測值和理論值變化規(guī)律一致。結(jié)構(gòu)加固后較加固前理論撓度平均值降低了12.7%；實測撓度平均值降低了29.2%；校驗系數(shù)平均值降低了23.4%，加固后的實測撓度值均小于理論撓度值，且實測撓度值均小于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的L/800，說明該橋的縱向剛度達到了加固設(shè)計和規(guī)范的要求。

3.3截面應(yīng)變對比分析

應(yīng)力是橋梁結(jié)構(gòu)試驗中主要測量內(nèi)容，通過所測的應(yīng)力數(shù)據(jù)可直接了解應(yīng)力沿構(gòu)件的分布情況、結(jié)構(gòu)的受力性能以及強度儲備。

工況1與工況2截面的各測點應(yīng)變?nèi)绫?、圖7、圖8所示。

表2 跨中截面和拱腳截面實測應(yīng)變與理論計算值對比表Table2 Crosssectioninthemeasuredstrainandarchfootsectionmeasuredstresscomparedwiththetheoreticalcalculationvaluetable類別編號理論值/με實測值/με殘余值校驗系數(shù)殘余度/%前后前后前后前后前后跨中截面︵工況一︶N1224.8212.51951752550.870.8212.82.9N288.370.64035000.450.500.00.0N3245.6231.526020535101.060.8913.54.9N499.679.7110401501.100.5013.60.0N5221.6211.919017520100.860.8310.55.7N686.469.465351000.750.5015.40.0拱腳截面︵工況二︶N7-20.8 -16.6 -15 -10 000.720.600.00.0N8-6.9-4.3-50000.720.000.00.0N9-31.2-24.3-25-15000.800.620.00.0N10-7.6-6.8-50000.660.000.00.0N11-21.8-17.8-20-10000.920.560.00.0N12-5.3-4.2-50000.940.000.00.0

圖7　跨中截面應(yīng)變對比圖(工況1/με)Figure 7　　　　Across the section strain contrast figure　　　(Condition 1/με)

圖8　拱腳截面應(yīng)變對比圖(工況2/με)Figure 8　　　　Arch foot section strain contrast figure　　　(Condition 2/με)

從表2、圖7可知：加固前實測應(yīng)變最大值為260 με，超過了理論應(yīng)變最大值245.6 με，部分應(yīng)變的應(yīng)變校驗系數(shù)大于1.0，已不滿足規(guī)范小于1的要求。加固后橋梁各個控制截面上的各個測點的應(yīng)變測試無異常情況，最大應(yīng)力沒有超過規(guī)范的規(guī)定值，說明橋梁的靜力強度充足。

從表2、圖8可知：加固后較加固前的沿梁高理論應(yīng)變最大值降低了22.1%，加固后截面測點的實測應(yīng)變值均未超過理論值，且校驗系數(shù)主要分布在0.00～0.60，滿足規(guī)范要求。表明拱腳采用粘貼鋼板的加固措施達到了預(yù)期的效果。

3.4結(jié)構(gòu)承載能力評定對比分析

桁架拱片屬于偏心受壓構(gòu)件，需要判斷構(gòu)件屬于小偏心或大偏心受壓構(gòu)件，然后進行極限狀態(tài)驗算對比分析，對比結(jié)果如表3、表4所示。

從表4可知：加固前橋梁在原設(shè)計荷載等級作用下的安全系數(shù)最大為3 154.6/3 204=0.98，說明原先設(shè)計儲備的富余承載能力已經(jīng)不多，且該路段常有超載車輛通行，已不能保證現(xiàn)行荷載通行的安全，驗算模型在公路-Ⅱ級荷載等級作用下，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小為4 867/3 554=1.37，且承載能力較加固前最大提高了4 867/218 602=2.2倍，表明該橋

表3 桁架拱片承載能力極限狀態(tài)驗算對比表Table3 Trussarchbearingcapacitylimitstatecalculationcontrasttable位置荷載組合荷載組合下內(nèi)力折減后截面抗力Nd/kNMd/(kN·m)Rd/kN前后前后前后跨中組合Ⅰ最大軸力32043845-169-1863154.66117最小軸力26013321-89.6-94.24190.65369最大彎矩238535541121242186.24867最小彎矩33844126-212-2542892.76354

表4 桁架拱片正常使用極限狀態(tài)裂縫驗算對比表Table4 Trussarchpieceofserviceabilitylimitstatecrackcalculationcomparisontablemm位置裂縫寬度裂縫寬度限值折減后裂縫寬度限值前后前后前后跨中0.190.150.200.200.1860.208

已能滿足現(xiàn)今的承載能力需求。

由表4可知：加固前桁架拱片在拱頂截面位置裂縫寬度大于折減后裂縫寬度限值，說明桁架拱片在正常使用極限狀態(tài)拱頂位置裂縫不能滿足規(guī)范要求。而加固后的裂縫寬度小于折減后裂縫寬度限值，且加固后較加固前裂縫寬度降低了21.1%，表明粘貼鋼板能有效地限制拱頂裂縫。

4　結(jié)論

本文以某鋼筋混凝土桁架拱橋為項目背景，通過對加固前后的橋梁進行靜力加載試驗得出如下結(jié)論：

① 橋梁加固后，在試驗荷載作用下截面的實測撓度值和應(yīng)變值均小于理論值，表明結(jié)構(gòu)的剛度及強度均達到了加固設(shè)計要求。

② 鋼板與原結(jié)構(gòu)形成整體共同承受荷載，說明本加固措施提高了橋梁承載能力，增大了應(yīng)力較大部位局部承載力，滿足了加固后的汽車荷載等級公路-Ⅱ級；達到了加固提載的目的，保證了交通量的需求。

③ 橋梁加固后實測數(shù)據(jù)與模型計算理論數(shù)據(jù)存在差異，經(jīng)分析產(chǎn)生的原因有：建立的有限元計算模型與橋梁的實際受力狀態(tài)不符；人為原因、施工環(huán)境等因素影響了橋梁加固效果。

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Comparative Analysis of One Actual Bridge Experiment Based on Truss Arch Bridgebefore-and-after Reinforcement

SUN Quansheng， QIU Tiantian

(Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040， China)

In order to explore the strengthening effect of pasting steel truss arch bridge reinforcement，bridge as an example to the engineering practice，based on finite element analysis software Midas/Civil to build the space model of the bridge，respectively，before and after the reinforcement of bridges static load test，reinforced by comparing before and after analysis the measured deflection and straindeflection and strain values obtained structures were reduced by 29.2% and 21.2%，showing that the stiffness and strength of steel reinforcement to improve the structure，and the bearing capacity of the structure has to meet the requirements of the highway grade-Ⅱ design load leve，for the same type of existing bridge maintenance to provide certain reference.

truss arch bridge； load test； comparative analysis

2015 — 02 — 27

孫全勝(1968 — )，男，黑龍江哈爾濱人，教授，博導(dǎo)，主要從事大跨度橋梁的設(shè)計理論及加固研究。

U 448.22

A

1674 — 0610(2016)04 — 0084 — 03