某粘貼鋼板加固雙曲拱橋荷載試驗(yàn)研究

劉 杰，李光昕

（1.佛山市公路工程質(zhì)量監(jiān)測所，廣東佛山528000；2.佛山市南海區(qū)佛山西站投資建設(shè)有限公司，廣東佛山528200）

某粘貼鋼板加固雙曲拱橋荷載試驗(yàn)研究

劉 杰1，李光昕2

（1.佛山市公路工程質(zhì)量監(jiān)測所，廣東佛山528000；2.佛山市南海區(qū)佛山西站投資建設(shè)有限公司，廣東佛山528200）

以佛山市某粘貼鋼板加固雙曲拱橋?yàn)楸尘?，采用MIDAS/Civil2012有限元軟件建立理論模型，通過對橋梁進(jìn)行靜載和動載試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)值與理論數(shù)值進(jìn)行對比分析，對橋梁的工作狀況和承載能力進(jìn)行評定。結(jié)果表明，該橋粘貼鋼板加固后能滿足現(xiàn)加固設(shè)計(jì)荷載等級要求，為同類型加固雙曲拱橋的工作性能分析提供參考。

雙曲拱橋；鋼板加固；工作性能；荷載試驗(yàn)

雙曲拱橋是20世紀(jì)60年代我國首創(chuàng)的一種橋型，它不僅發(fā)揮了傳統(tǒng)拱橋中石料或混凝土材料抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，還充分發(fā)揮了預(yù)制裝配的優(yōu)點(diǎn)，可以不要拱架施工，節(jié)省木料，施工進(jìn)度快［1］。作為20世紀(jì)發(fā)展的新型橋梁形式，為公路橋梁事業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。由于雙曲拱橋一般設(shè)計(jì)荷載等級比較低，經(jīng)過30多年的運(yùn)營，車輛荷載等級逐漸提高，雙曲拱橋均出現(xiàn)了不同程度的病害，為確保運(yùn)營安全，采用何種方式對雙曲拱橋進(jìn)行加固并對加固后雙曲拱橋的工作狀態(tài)和承載能力評定成為備受關(guān)注和重視的問題［2-4］。本文以佛山市某粘貼鋼板加固雙曲拱橋?yàn)楣こ桃劳?，通過對加固后橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，對該橋的承載能力進(jìn)行評定，為同類型加固雙曲拱橋的加固性能分析提供參考。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

該雙曲拱橋位于廣東省佛山市省道S121廣龍線上，中心樁號K5+571處，于1978年建成，凈跨徑組合為4×10.6 m，全橋長55.6 m，老橋全寬21 m，設(shè)計(jì)荷載不詳，加固圖紙按汽車-20，掛車-100進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，人群荷載為3.5 kN/m2。上部結(jié)構(gòu)采用矩形多肋多波雙曲拱，橫橋向共9片拱肋，拱圈凈跨徑為9.6 m，凈矢高為1.2 m，矢跨比為1/8，拱肋材料為200#混凝土，拱上立柱與腹拱采用150#混凝土。下部結(jié)構(gòu)采用樁柱墩臺，蓋梁采用150#混凝土，樁柱200#混凝土。橋梁立面見圖1。

圖1 雙曲拱橋立面圖（單位：cm）

1.2加固前病害介紹

該雙曲拱橋加固前經(jīng)現(xiàn)場外觀檢測，發(fā)現(xiàn)該橋主拱圈拱肋在跨中位置均存在多條U型裂縫，裂縫間距5～15 cm，裂縫寬度0.1～0.25mm；拱波縱向開裂嚴(yán)重，裂縫寬度最大值達(dá)到6mm；拱肋間橫系梁混凝土破損露筋嚴(yán)重；腹拱拱圈和立柱砼破損，部分拱圈斷裂、脫落。該橋病害見圖2。

圖2 橋梁主要病害圖

1.3 加固設(shè)計(jì)介紹

根據(jù)檢測結(jié)果，設(shè)計(jì)單位給出的主要加固措施為：對主拱圈拱肋底部粘貼厚度δ＝10mm的鋼板，拱肋側(cè)面粘貼δ＝6mm的鋼板，對拱波底面粘貼6mm鋼板，對橫隔板底面和側(cè)面粘貼6mm鋼板，鋼板間相互焊接，鋼板與拱肋間留6 cm間距，灌注自流平混凝土填充；對拉桿進(jìn)行防腐除銹處置后，采用環(huán)氧砂漿抹面修復(fù)。對腹拱立墻脫落出采用灌注M15水泥砂漿修復(fù)，對腹拱立墻側(cè)面采用粘貼6mm鋼加固。加固后效果見圖3。

圖3 橋梁加固后效果圖

1.4 有限元建模

本橋?yàn)?跨懸鏈線空腹式多肋雙曲拱橋，橋梁修建年代久遠(yuǎn)，原設(shè)計(jì)圖紙缺失，根據(jù)現(xiàn)場情況，對第1和第4跨拱橋主拱圈拱肋拱軸線線形進(jìn)行了測量，以主拱圈拱頂為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，沿橋梁縱向采用激光斷面儀進(jìn)行測量。從測試數(shù)據(jù)分析，主拱圈采用懸鏈線，實(shí)測第1跨和第4跨的凈跨徑L0分別為：9.38 m、9.40 m，凈矢高f0分別為：1.14 m、1.19 m，并對測得的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合，得到了本文主拱圈模型，橋梁的材質(zhì)參數(shù)選取以及鋼位置分布均采用現(xiàn)場實(shí)測值［5］。第1和第4跨主拱圈拱肋實(shí)測拱軸線示意圖見圖4～5。本文采用MIDAS/Civil 2012對該橋進(jìn)行有限元模擬。全橋共建立節(jié)點(diǎn)數(shù)1 760個(gè)，有限元模型見圖6。

圖4 第1跨主拱圈拱肋拱軸線形示意圖

圖5 第4跨主拱圈拱肋拱軸線形示意圖

圖6 雙曲拱橋有限元模型

2 荷載試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 靜力荷載試驗(yàn)內(nèi)容及測點(diǎn)布置

根據(jù)本橋的受力特點(diǎn)，試驗(yàn)選擇第1跨和第2跨結(jié)構(gòu)作為試驗(yàn)跨，借助有限元模擬，計(jì)算典型截面在雙曲拱橋粘貼鋼板加固后設(shè)計(jì)荷載汽-20，掛-100作用下的內(nèi)力值，依據(jù)彎矩等效的原則按最不利布載方式，在滿足《規(guī)范》［6］荷載效率系數(shù)的前提下，確定以下靜載內(nèi)容：工況Ⅰ）第1跨拱圈拱頂截面（A-A）最大正彎矩；工況Ⅱ）第2跨拱圈肋拱頂截面（B-B）最大正彎矩；工況Ⅲ）第1跨拱圈肋拱腳附近截面（C-C）最大負(fù)彎矩；工況Ⅳ）第2跨拱圈拱腳附近截面（D-D）最大負(fù)彎矩；工況Ⅴ）第2跨拱圈拱腳附近截面（D-D）最大水平推力；通過對以上彎矩控制工況的試驗(yàn)加載（A至D截面位置見圖1），得出表1所示彎矩和荷載效率系數(shù)。在各工況靜力荷載試驗(yàn)中，采用吊錘和百分表對加載跨L/4、L/2、3L/4處及相鄰跨L/2處1#、3#、5#、7#和9#主拱圈拱肋撓度進(jìn)行測試。并在橋臺C-C和橋墩D-D截面布置水平位移測點(diǎn)，采用百分表進(jìn)行觀測，撓度測點(diǎn)布置見圖7。采用正弦式應(yīng)變計(jì)對加載跨L/4、L/2、3L/4處、相鄰跨L/2處以及加載跨拱腳位置1#、3#、5#、7#和9#主拱圈拱肋進(jìn)行應(yīng)變測試，應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖8。

表1 試驗(yàn)截面的設(shè)計(jì)荷載計(jì)算值、試驗(yàn)荷載效應(yīng)值及荷載效率系數(shù)

圖7 雙曲拱橋撓度測點(diǎn)橫橋向布置圖

圖8 雙曲拱橋應(yīng)變測點(diǎn)橫橋向布置圖

2.2 靜力荷載試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 撓度測試結(jié)果與分析

為了解雙曲拱橋經(jīng)過粘貼鋼板加固后在加固設(shè)計(jì)荷載作用下的變形情況以及橫向剛度，靜力荷載試驗(yàn)在全橋9片主拱圈拱肋的1#、3#、5#、7#和9#拱肋布置了撓度測點(diǎn)。各控制截面在各試驗(yàn)加載工況荷載作用下實(shí)測撓度與理論計(jì)算值的比較如表2所示。

從表2可以看出，在工況Ⅰ～Ⅱ下主拱圈拱頂截面撓度校驗(yàn)系數(shù)分別為0.31～0.42、0.25～0.27；在工況Ⅲ～Ⅴ下主拱圈拱腳水平位移校驗(yàn)系數(shù)分別為0.17～0.33、0.55～0.60、0.68～0.79；各截面撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于文獻(xiàn)［6］規(guī)定值1.0；卸載后各截面相對殘余變形均小于文獻(xiàn)［6］規(guī)定值20%。試驗(yàn)結(jié)果表明：該雙曲拱橋經(jīng)過粘貼鋼板加固后，在加固設(shè)計(jì)荷載試驗(yàn)工況下橋跨結(jié)構(gòu)的撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均處于合理范圍，表明橋跨結(jié)構(gòu)具有一定的剛度儲備。

表2 各主要控制截面撓度實(shí)測值與理論計(jì)算值比較

2.2.2 應(yīng)變測試結(jié)果與分析

為了解雙曲拱橋經(jīng)過粘貼鋼板加固后在加固設(shè)計(jì)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變情況，靜力荷載試驗(yàn)在全橋9片主拱圈拱肋的1#、3#、5#、7#和9#拱肋布置了應(yīng)變測點(diǎn)。各控制截面在各試驗(yàn)加載工況荷載作用下實(shí)測撓度與理論計(jì)算值的比較如表3所示。

從表3可以看出，在工況Ⅰ～Ⅴ下主拱圈拱頂截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分別為0.62～0.77、0.31～0.37、0.27～0.57、0.60～0.75、0.37～0.43；各截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于文獻(xiàn)［6］規(guī)定值1.0；卸載后各截面相對殘余變形均小于文獻(xiàn)［6］規(guī)定值20%。試驗(yàn)結(jié)果表明：該雙曲拱橋經(jīng)過粘貼鋼板加固后，在加固設(shè)計(jì)荷載試驗(yàn)工況下橋跨結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均處于合理范圍，表明橋跨結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度儲備。

表3 各主要控制截面應(yīng)變實(shí)測值與理論計(jì)算值比較

續(xù)表

2.2.3 裂縫及粘貼鋼板效果觀測

在各工況靜載試驗(yàn)期間，進(jìn)行了主拱圈、拱波和橫隔板等構(gòu)件的裂縫以及鋼板粘結(jié)情況觀測，由于該橋主拱圈拱肋、拱波、橫隔板以及腹拱立墻被加固粘貼鋼板包裹，裂縫情況無法細(xì)查，但粘貼鋼板結(jié)合面未見鋼板與混凝土剝離現(xiàn)象，粘貼效果良好。

2.3 動載試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 自振特性測試

橋梁自振頻率與結(jié)構(gòu)剛度有明確的關(guān)系，實(shí)測自振頻率與計(jì)算頻率相比較，實(shí)測頻率大于計(jì)算頻率時(shí)可認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度，反之則實(shí)際剛度偏?。?］。本橋在自振頻率測試前采用Midas civil 2012對橋梁進(jìn)行自振特性理論計(jì)算分析，第1階振型見圖9，實(shí)測頻率11.82 Hz，理論計(jì)算頻率9.98 Hz，該結(jié)構(gòu)的實(shí)測1階頻率高于理論計(jì)算1階頻率，表明橋梁加固后的結(jié)構(gòu)剛度較好。

圖9 雙曲拱橋理論計(jì)算1階振型圖

2.3.2 無障礙行車測試

用1輛加載車分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h的車速通過該雙曲拱橋，得到不同車速下B-B截面行車和剎車沖擊系數(shù)見表4。從表4可以看出：B-B測試截面行車沖擊系數(shù)最大值為1.11，對應(yīng)車速為60 km/h；剎車沖擊系數(shù)最大值為1.20，對應(yīng)車速為30 km/h。兩種條件下橋梁實(shí)測沖擊系數(shù)都較小，與同類型橋梁相比，該橋梁結(jié)構(gòu)的激振響應(yīng)正常，橋梁行車性能良好。

表4 雙曲拱橋第二跨B-B截面沖擊系數(shù)

3 結(jié)論

通過對粘貼鋼板加固后橋梁進(jìn)行靜載和動載試驗(yàn)，將實(shí)測數(shù)值與計(jì)算數(shù)值進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）各試驗(yàn)工況靜力荷載作用下，該粘貼鋼板加固后雙曲拱橋?qū)崪y撓度值均小于理論計(jì)算值且殘余變形較小，表明粘貼鋼板加固后該橋總體剛度滿足設(shè)計(jì)荷載要求且結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)；實(shí)測的應(yīng)變值均小于理論計(jì)算應(yīng)變值且殘余應(yīng)變值較小，表明粘貼鋼板加固后該橋結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)且滿足設(shè)計(jì)荷載要求。

（2）在各試驗(yàn)工況靜力荷載試驗(yàn)期間，橋臺和橋墩變位均較小，表明該橋加固后橋臺和橋墩剛度滿足要求。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)測一階自振頻率較理論計(jì)算值大表明橋梁的結(jié)構(gòu)剛度較大，動力性能良好；實(shí)測行車和剎車沖擊系數(shù)較小，表明該橋梁結(jié)構(gòu)的激振響應(yīng)正常，橋梁行車性能良好。

（4）該雙曲拱橋進(jìn)過粘貼鋼板加固后，橋梁結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度和剛度安全儲備，滿足加固后設(shè)計(jì)荷載等級“汽車-20，掛車-100”的使用要求。

［1］姚玲森.橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社,1996.

［2］鄧飛.某多跨雙曲拱橋的荷載試驗(yàn)研究［J］.公路與汽運(yùn),2012（7）:217-220.

［3］黃志斌.基于荷載試驗(yàn)的空腹式雙曲拱橋工作性能分析［J］.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,34（4）:54-58.

［4］陳財(cái)煥.某雙曲拱橋靜力荷載試驗(yàn)方法研究［J］.福建交通科技,2016（3）:67-70.

［5］林鳴,陳康,趙少杰.舊雙曲拱橋承載能力評定的研究［J］.湖南交通科技,2012,38（1）:59-62.

［6］交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.TG/TJ21-2011.公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社,2011.

［7］長安大學(xué).JTG/TJ21-01-2015.公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社,2016.

【責(zé)任編輯：周紹纓 410154121@qq.com】

Load test study of a double arch bridge strengthened with steel plate

LIUJie1，LI Guang-xin2
（1.Foshan HighwayEngineeringQualityMonitoring,Foshan 528000,China；2.Foshan Nanhai Construction Investment Co.Ltd ofFoshan Xi RailwayStation,Foshan 528000,China）

In this paper,a double arch bridge strengthened with steel plate in Foshan,Guangdong Province is used as the test object.The theoretical model is established byMIDAS/Civil 2012 finite element software.After static load and dynamic load test,we make a comparative analysis of numerical and theoretical values to assess the working condition and carrying capacity of the bridge.The results show that the reinforced steel plate can meet the design requirements ofreinforcement design and provide reference for the work performance analysis of the same type ofreinforced double arch bridge.

double arch bridge;strengthened with steel plate;work performance;load test

U445.72

A

1008-0171（2017）02-0036-06

2016-12-14

劉 杰（1985-），男，湖南常德人，佛山市公路工程質(zhì)量監(jiān)測所工程師。