某雙曲拱橋墩頂拱起破壞原因分析及荷載試驗(yàn)研究應(yīng)用

陸麗實(shí)

(福建省永正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司 福建福州 350012)

0 引言

雙曲拱橋是我國(guó)20世紀(jì)60～80年代廣泛修建的一種橋型，它充分發(fā)揮了預(yù)制裝配的優(yōu)點(diǎn)，截面挖空率高，節(jié)省材料，可以不要拱架施工，加快施工進(jìn)度但同時(shí)也存在荷載標(biāo)準(zhǔn)低、整體性與耐久性差等問題[1-3]。目前該橋型已經(jīng)基本淘汰，但大量運(yùn)營(yíng)中的雙曲拱橋存在維修、加固或者改造問題，部分橋梁還存在著安全隱患。

本文以武夷山某較罕見的墩頂橋面存在隆起的雙曲拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)外觀調(diào)查結(jié)果，對(duì)病害成因進(jìn)行分析。分析了該橋型橋梁的受力特征及薄弱節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行了荷載試驗(yàn)及分析驗(yàn)證，以期為類似橋型的橋梁維養(yǎng)及病害預(yù)防提供一定的工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程背景

該橋?yàn)?跨鋼筋混凝土雙曲拱橋，橋梁長(zhǎng)107.4m，跨徑組成為(25.0m+50.0m+25.0m)，橋面凈寬7.0m(車行道)+2×2.0m(人行道和欄桿)。橋面鋪裝為C25混凝土；上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土雙曲拱，矢跨比1/8，拱軸系數(shù)2.4，橫向?yàn)?肋5波，兩側(cè)各懸半波；下部結(jié)構(gòu)為重力式實(shí)體墩和U型橋臺(tái)。該橋建于1977年，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為：汽-15，掛-80。2017年，由于周邊建設(shè)需要，該橋通行了約半年的重型車輛。橋梁橋型布置如圖1所示。

(a) 立面布置圖

(b) 橫向布置圖圖1 橋梁橋型布置圖(單位：cm)

2 外觀檢測(cè)及病害成因分析

2.1 外觀檢測(cè)

(1)2#伸縮縫兩側(cè)存在高差約25mm，3#伸縮縫兩側(cè)存在高差約20mm，墩頂橋面板隆起，車輛行車時(shí)橋面板有振動(dòng)現(xiàn)象。

(2)7#腹拱圈拱腳存在錯(cuò)位、滲水，最大錯(cuò)位約47mm；拱板底面存在多處斷裂，且存在1處拱板碎裂、脫落，面積約1.6m2，脫落處右側(cè)側(cè)墻存在1條斜向斷裂，延伸至橋面，最大縫寬測(cè)讀值為21mm；6#腹拱圈處下游側(cè)側(cè)墻存在1條橫向裂縫，裂縫寬度最大測(cè)讀值為4mm，且側(cè)墻與腹拱圈接觸面脫裂。現(xiàn)場(chǎng)病害照片如圖2所示，病害示意圖如圖3所示。

(a)墩頂橋面板隆起

(b)腹拱圈拱板斷裂，碎裂、脫落

(c)腹拱圈拱腳錯(cuò)位、滲水

(d)側(cè)墻開裂圖2 現(xiàn)場(chǎng)病害照片

圖3 現(xiàn)場(chǎng)病害示意圖

2.2 病害成因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，該橋病害產(chǎn)生可能原因有：

(1)橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)較低，且橋梁整體性較差，在超載車輛荷載作用下,橋梁受力薄弱部位開始出現(xiàn)破壞。拱橋拱腳承受較大的水平推力，該橋?yàn)椴坏瓤缃Y(jié)構(gòu)，在兩跨連接處墩頂腹拱圈兩側(cè)拱腳承受不對(duì)稱的水平推力荷載，導(dǎo)致橋梁墩頂腹拱拱腳出現(xiàn)錯(cuò)位。

(2)由于伸縮縫處防水填料破損缺失及橋面出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致雨水滲入拱上填料，進(jìn)而導(dǎo)致填料下滲，由于拱上填料偏薄，加之拱上填料施工質(zhì)量不均勻等因素，導(dǎo)致其傳遞及分散荷載的能力減弱，使腹拱圈直接承受車輛荷載，在重載車輛的沖擊作用下，腹拱圈拱板斷裂，進(jìn)而形成混凝土破損脫落。由于拱板的破損脫落導(dǎo)致該處側(cè)墻下部支撐脆弱，且由于腹拱圈拱腳的移位下沉，進(jìn)而造成橋梁側(cè)墻開裂。

3 靜載試驗(yàn)

橋梁靜載試驗(yàn)是通過(guò)測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)在靜載試驗(yàn)荷載作用下的內(nèi)力和變形, 確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)期望值是否相符,以評(píng)定橋梁的承載能力[4-5]。它是了解結(jié)構(gòu)實(shí)際性能(剛度、強(qiáng)度等)最直接有效的辦法。

一方面，圖書館由原來(lái)的傳統(tǒng)人工操作到現(xiàn)在數(shù)字化圖書館建設(shè)，引進(jìn)了大量的自動(dòng)化系統(tǒng)，使各方面的效率都提高了，但是從來(lái)產(chǎn)生了各種數(shù)據(jù)資源，這種現(xiàn)象，正具有了大數(shù)據(jù)特征；另一方面，圖書館服務(wù)由原來(lái)的單一借還到人性化服務(wù)再到知識(shí)型服務(wù)，從一定層次上提升了館員的服務(wù)水平，針對(duì)嵌入式館員的興起，嵌入式學(xué)科的知識(shí)服務(wù)理念越來(lái)越占據(jù)圖書館服務(wù)市場(chǎng)，從而極大的滿足和豐富了圖書館的知識(shí)庫(kù)，圖書館數(shù)字化建設(shè)正邁向新的階段，圖書館自動(dòng)化集成系統(tǒng)的介入使計(jì)算機(jī)給各部門的工作流程帶來(lái)方便，也給圖書館的服務(wù)創(chuàng)新帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。

3.1 靜載試驗(yàn)方案及實(shí)施

(1)靜載工況

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特征及現(xiàn)場(chǎng)情況，選取第1跨拱頂截面(1-1)、3/4跨截面(2-2)、拱腳截面(3-3)、第2跨拱腳截面(4-4)、1/4跨截面(5-5)、拱頂截面(6-6)為測(cè)試截面，擬進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容為測(cè)試斷面在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變及撓度，并在試驗(yàn)加載過(guò)程中對(duì)橋梁異常狀況進(jìn)行觀測(cè)。靜載試驗(yàn)測(cè)試截面如圖4所示。

圖4 靜載試驗(yàn)測(cè)試截面圖

(2)試驗(yàn)車輛

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，本次靜載試驗(yàn)采用汽車加載方式，在荷載效率ηq范圍內(nèi)對(duì)橋梁加載噸位進(jìn)行計(jì)算，最后確定采用2部重車進(jìn)行靜載試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際所用加載車輛如表1所示。

表1 加載車輛明細(xì)表

(3)工況加載布置

各工況荷載效率具體情況如表2所示，具體工況加載車輛布置如圖5所示。

(a)工況加載車輛縱向布置圖

(b)工況加載車輛橫向布置圖圖5 工況車輛加載布置圖(單位：cm)

(4)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置、撓度測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)變測(cè)試采用應(yīng)變片，梁撓度測(cè)試采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量，測(cè)點(diǎn)編號(hào)及布置如圖6所示。

表2 各工況荷載效率

圖6 應(yīng)變、撓度測(cè)點(diǎn)布置及編號(hào)圖

3.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)模型的建立

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用有限元軟件midas建立橋梁結(jié)構(gòu)空間有限元模型(采用主拱圈拱腳固結(jié)，兩側(cè)橋頭橋面板及腹拱圈拱腳鉸接，累計(jì)5387個(gè)節(jié)點(diǎn)、7798個(gè)單元)，計(jì)算荷載作用下測(cè)點(diǎn)的理論計(jì)算值。理論模型如圖7所示。

圖7 有限元空間模型

(2)撓度結(jié)果分析

本次試驗(yàn)撓度檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 撓度檢測(cè)結(jié)果匯總表

由表3可知：除測(cè)試截面距橋梁破壞位置較近的工況2外，其余工況荷載作用下，實(shí)測(cè)控制截面撓度校驗(yàn)系數(shù)滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》[6](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)中規(guī)定的校驗(yàn)系數(shù)小于1.0的要求，相對(duì)殘余變形滿足《規(guī)程》中規(guī)定的相對(duì)殘余變形限值要求(限值20%)。在工況2試驗(yàn)荷載作用下，撓度校驗(yàn)系數(shù)及相對(duì)殘余變形均不滿足《規(guī)程》中規(guī)定的限值要求。可能的原因是工況2測(cè)試截面距離破損位置較近，該處橋梁局部承載能力不滿足要求，且由于拱上填料的松散缺失，導(dǎo)致試驗(yàn)荷載作用下橋梁產(chǎn)生非彈性變形，橋梁殘余變形較大。由此可見，該橋局部剛度不滿足規(guī)范要求，橋梁整體性較差。

(3)應(yīng)變結(jié)果分析

本次靜載試驗(yàn)應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果匯總表

由表4可知：在試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測(cè)控制截面的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)滿足《規(guī)程》中規(guī)定的校驗(yàn)系數(shù)小于1.0的要求；相對(duì)殘余應(yīng)變滿足《規(guī)程》中規(guī)定的相對(duì)殘余應(yīng)變限值要求(限值20%)。由此可見，在試驗(yàn)荷載作用下，橋梁主拱圈強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4 動(dòng)載試驗(yàn)

本次動(dòng)載試驗(yàn)主要包括橋梁自振特性試驗(yàn)和無(wú)障礙行車試驗(yàn)。

4.1 橋梁自振特性試驗(yàn)

將加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置在橋面上以觀測(cè)橋梁豎向振動(dòng)基頻及振型，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。將實(shí)測(cè)的加速度信號(hào)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析可得，該橋上部結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)豎向一階自振頻率為5.27Hz，大于理論計(jì)算值3.80Hz，且實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算振型基本一致，但小于2014年實(shí)測(cè)豎向一階自振頻率5.87Hz，表明橋梁剛度有所降低。橋梁實(shí)測(cè)振型如圖9所示。

圖8 橋梁自振特性試驗(yàn)加速度傳感器布置圖

圖9 橋梁自振特性試驗(yàn)實(shí)測(cè)振型圖

4.2 無(wú)障礙行車試驗(yàn)

通過(guò)無(wú)障礙行車試驗(yàn)測(cè)試不同車速下車輛對(duì)橋梁的沖擊系數(shù)。采用電阻應(yīng)變片量測(cè)振動(dòng)應(yīng)變從而計(jì)算橋梁沖擊系數(shù)。測(cè)點(diǎn)布置在第1跨拱頂(1-1)截面、第1跨3/4跨(2-2)截面、第2跨1/4跨(5-5)截面、第2跨拱頂(6-6)截面，各截面布置1個(gè)動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。各截面動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示，部分實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線如圖11所示，無(wú)障礙行車試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

圖10 動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

圖11 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線圖

表5 無(wú)障礙行車試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果匯總表

由表5可知，在無(wú)障礙行車試驗(yàn)下，車輛對(duì)橋梁測(cè)試截面的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)最大值為μ=0.41，大于規(guī)范(JTG D60-2015)[7]規(guī)定的設(shè)計(jì)計(jì)算取值μ=0.28。其可能的原因是橋面局部存在高差導(dǎo)致橋面平整度差，行車時(shí)車輛振動(dòng)對(duì)橋梁形成沖擊。沖擊系數(shù)過(guò)大將導(dǎo)致車輛行駛時(shí)對(duì)橋梁產(chǎn)生較大的沖擊，產(chǎn)生較大的瞬時(shí)荷載效應(yīng)，對(duì)橋梁的受力產(chǎn)生不利影響。

5 結(jié)論

本文針對(duì)某墩頂橋面存在隆起的雙曲拱橋，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)外觀調(diào)查結(jié)果，分析了病害成因，并對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果及分析，得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于不等跨的雙曲拱橋，其連接處承受不對(duì)稱的水平荷載，在受力上較為薄弱，運(yùn)營(yíng)中容易出現(xiàn)受力破壞，在設(shè)計(jì)中建議做成重力式，在養(yǎng)護(hù)及巡查中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

(2)雙曲拱橋橫向聯(lián)系及整體性較差，特別是拱上構(gòu)造，在荷載作用下容易出現(xiàn)荷載分布不均，局部受力過(guò)大，易造成橋梁局部損壞。

(3)橋面局部高差較大、橋面不平整，容易造成車輛對(duì)橋梁產(chǎn)生較大的沖擊，使橋梁承受較大的瞬時(shí)沖擊荷載，在養(yǎng)護(hù)及巡查中應(yīng)引起重視。

(4)雙曲拱橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)較低，承載能力較差，在運(yùn)營(yíng)中應(yīng)預(yù)防及限制超載車輛的通行。

上述研究結(jié)果，以期為類似橋型的橋梁運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)及病害預(yù)防提供一定的工程經(jīng)驗(yàn)。