重載作用下波紋鋼板加固舊橋的應(yīng)變測試

梁養(yǎng)輝，劉百來，李 涵，王靈建，胡 濱

（1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075；2.西安工業(yè)大學 建筑工程學院，陜西 西安 710021）

0 引 言

采用波紋鋼板對不同類型的舊橋進行加固，能最大限度地維持舊橋的原貌，不僅具有較大的人文、景觀意義，而且具有很好的經(jīng)濟效益和應(yīng)用價值，是目前中國一種新型的橋涵加固工程應(yīng)用技術(shù)。波紋鋼板結(jié)構(gòu)耐久性好，對地基承載要求相對較低，適應(yīng)不均勻沉降變形能力強，能夠承受較大上部荷載的重壓；而且由于波紋鋼板材質(zhì)相對較輕，可按不同結(jié)構(gòu)尺寸在工廠加工生產(chǎn)，再運至現(xiàn)場進行拼裝，拼裝工藝簡單便捷，占用的施工空間相對較小，可以大大縮短施工周期，也減少了對環(huán)境的破壞［1－3］。國內(nèi)多位專家學者對波紋鋼板橋涵進行了研究，如孔令杰對混凝土橋梁舊橋加固的必要性和經(jīng)濟性以及舊橋加固技術(shù)、方法進行了闡述［4］；華南理工大學的蔡事廷等結(jié)合實際工程，經(jīng)過理論計算論述了在舊橋上部結(jié)構(gòu)完全失去承載力的情況下用波紋鋼板加固舊橋的安全性［5］；中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司的胡濱等結(jié)合依托工程，對新建3孔4m波紋鋼板拱橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及地震作用下的動力響應(yīng)進行了分析［6］；重慶交通大學的郭力源等通過現(xiàn)場試驗，對車輛荷載作用下新建3孔4m波紋鋼板拱橋的管外土壓力變化規(guī)律進行了系統(tǒng)闡述［7］；中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司的李祝龍等結(jié)合依托工程對低路堤荷載作用下新建的3孔4m波紋板鋼拱橋應(yīng)變進行了測試，得出應(yīng)變變化規(guī)律［8］；安徽省交通投資集團有限責任公司的李曉勇、曹興海等對荷載作用下波紋鋼管涵洞的管內(nèi)應(yīng)變進行了現(xiàn)場測試，得出其變化規(guī)律［9－10］；中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司的李祝龍等對荷載作用下波紋鋼管涵洞的管外土壓力進行了現(xiàn)場測試，得出其變化規(guī)律［11－12］；重慶交通大學的胡小兵等通過室內(nèi)模擬分析，對高路堤波紋鋼管涵與鋼筋混凝土拱涵土壓力進行了對比分析［13］。除此之外，一些學者采用有限元模擬分析，對波紋鋼管涵洞力學性能進行了研究［14－17］，或?qū)Σy鋼管涵洞施工工藝進行了詳細分析［18－23］。

由以上分析可以看出，國內(nèi)對波紋鋼管涵洞的研究較多，而對于波紋鋼板橋梁研究較少，特別是波紋鋼板加固舊橋鮮有報道。現(xiàn)有的文獻也僅對波紋鋼板加固舊橋的技術(shù)、方法、經(jīng)濟優(yōu)越性及安全性進行了闡述和理論計算，而對于波紋鋼板加固舊橋的力學性能現(xiàn)場試驗缺乏研究。本文通過現(xiàn)場試驗對重車車載作用下波紋鋼板加固舊橋的應(yīng)變規(guī)律進行闡述，以期為波紋鋼板加固舊橋的設(shè)計與施工提供參考。

1 工程概況

本文以云南省昆明市寶象河海子橋舊橋加固項目作為依托工程。寶象河海子橋是一座跨徑16m、矢高1.7m的低弧雙曲拱橋，建成于1976年，是連接國道320和海子村的惟一通道，經(jīng)過40多年的使用，橋面破損嚴重，橋身多處出現(xiàn)了開裂，已存在諸多安全隱患，亟需修復加固。

本項目所用的波紋鋼板拱采用片狀Q345熱軋鋼板板片逐個拼裝而成。波紋板鋼加工后采用熱浸鍍鋅等方式進行防腐處理，鍍鋅層厚度大于84μm。施工時，首先對橋梁病害進行養(yǎng)護維修，接著對橋墩基礎(chǔ)處的地基進行清淤處理，再用C25混凝土回填并振搗密實，然后采用M7.5漿砌片石對河道進行整修，最后安裝波紋鋼板片。待板片安裝完成后，對波紋鋼板拱與鋼筋混凝土拱之間采用C30自密實混凝土填充，使波紋鋼板拱片與鋼筋混凝土拱成為一個整體。

舊橋加固施工順序依次為：橋梁病害處理、基礎(chǔ)施工、波紋鋼板安裝、加固筋綁扎、填充混凝土、舊橋面開挖、橋面施工。

2 測試方案

2.1 應(yīng)變計布設(shè)

為了總體上了解采用波紋鋼板加固后的寶象河海子橋在重載作用下的力學性能，考慮在2個拱腳、1／4跨、拱頂及3／4跨處分別布設(shè)應(yīng)變計，并取路中和行車道2個測區(qū)。為了提高采集數(shù)據(jù)的精度和減少采集數(shù)據(jù)的漂移，本次數(shù)據(jù)采集采用高精度的光柵光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

沿波紋鋼板拱的周向在道路中心線及行車道正下方分別在拱頂、1／4跨、3／4跨及2個拱腳布設(shè)測點，共計10個測點。應(yīng)變計布設(shè)位置如圖1所示，應(yīng)變計編號如圖2所示。

圖1 應(yīng)變計布設(shè)位置

圖2 應(yīng)變計編號

2.2 測試工況

依據(jù)當?shù)氐慕煌ê奢d情況，本次測試用重車車載總重為90.12t（當?shù)刈钪剌d車輛），其前后軸距為5.863m，前軸重26.34t，后軸重63.78t；采用光柵光纖數(shù)據(jù)采集儀采集重車車載沿道路中心線由南至北在橋面上移動時各個測點的應(yīng)變數(shù)據(jù)。測試具體工況共5個（圖3）。

（1）工況1：重車后軸位于拱腳（南）處（圖3中①位置）。

（2）工況2：重車后軸位于3／4跨處（圖3中②位置）。

（3）工況3：重車后軸位于跨中拱頂處（圖3中③位置）。

（4）工況4：重車后軸位于1／4跨處（圖3中④位置）。

（5）工況5：重車后軸位于拱腳（北）處（圖3中⑤位置）。

圖3 測試工況示意

3 試驗測試結(jié)果分析

3.1 縱斷面各測點在不同工況下的應(yīng)變分析

在不同工況下，道路中線測區(qū)和行車道測區(qū)縱斷面各測點應(yīng)變測試結(jié)果分別見圖4、5。

圖4 道路中線測區(qū)各測點在不同工況下的應(yīng)變

從圖4、5可以看出，各個工況下，縱斷面各測點應(yīng)變變化規(guī)律相似。車輛沿橋中心線由南到北行進時，橋北到橋南道路中線測點和左車道測點應(yīng)變均存在由壓應(yīng)變到拉應(yīng)變再到壓應(yīng)變的變化趨勢，橋兩側(cè)拱腳位置主要表現(xiàn)為壓應(yīng)變，橋拱頂附近位置主要表現(xiàn)為拉應(yīng)變；當加載車后軸位于拱頂附近位置時拉應(yīng)變較大，后輪壓橋1／2處時拉應(yīng)變達到最大值8.806×10－6，此時可作為設(shè)計和觀測的重點時刻。1／2跨測點附近折線斜率大，說明在橋跨中部附近應(yīng)變變化快，橋跨中部位置可作為設(shè)計和觀測時的重點位置。

圖5 行車道測區(qū)各測點在不同工況下的應(yīng)變

3.2 橫斷面各測點在不同工況下的應(yīng)變分析

在不同工況下，波紋鋼板橫斷面各測點應(yīng)變測試結(jié)果分別見圖6～10。

圖6 拱腳（南）橫斷面位置測點的應(yīng)變變化

圖7 1／4跨橫斷面位置測點的應(yīng)變變化

圖8 2／4跨橫斷面位置測點的應(yīng)變變化

圖9 3／4跨橫斷面位置測點的應(yīng)變變化

圖10 拱腳（北）橫斷面位置測點隨不同工況應(yīng)變變化

從圖6可以看出，各個工況下，測點1和測點6的應(yīng)變變化趨勢相似。測點1主要表現(xiàn)為壓應(yīng)變且存在壓應(yīng)變逐漸增大到最大值再逐漸減小的過程，測點6主要表現(xiàn)為拉應(yīng)變且存在拉應(yīng)變逐漸增大到最大值再逐漸減小的變化過程；當重車車載作用于橋兩側(cè)時，拉壓應(yīng)變比較小，隨著重車車載往橋中心移動，拉壓應(yīng)變逐漸增大，移動到橋拱頂附近時拉壓應(yīng)變達到最大值。對于橋南側(cè)拱腳斷面，當重車車載作用于拱頂附近時處于最不利工況，應(yīng)作為設(shè)計和觀測時的重點工況。

從圖7可以看出，車載車身壓橋中線由南到北行進的各個工況下，測點2和測點7的應(yīng)變變化趨勢相似，即壓應(yīng)變逐漸增大到最大值再逐漸減小、壓應(yīng)變變?yōu)槔瓚?yīng)變且逐漸增大、拉應(yīng)變增大到最大值再逐漸減小。車載作用于橋兩側(cè)時拉壓應(yīng)變比較小，在車載后輪壓橋3／4處時測點2和測點7存在壓應(yīng)變轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)變的變化。對于橋梁1／4跨斷面，當重車車載作用于拱頂附近時處于最不利工況，可以作為設(shè)計和觀測時的重點工況。

從圖8可以看出，重車車載沿橋梁中心線由南到北行進的各個工況下，測點3和測點8的應(yīng)變變化趨勢相似，即拉應(yīng)變逐漸增大到最大值再逐漸減小。車載作用于橋兩側(cè)時拉應(yīng)變比較小，隨著車載往橋中心移動，拉應(yīng)變逐漸增大且在橋拱頂附近拉應(yīng)變達到最大值。對于橋3／4跨斷面，當車載作用于拱頂附近時處于最不利工況，可以作為設(shè)計和觀測時的重點工況。

從圖9可以看出，重車車載沿橋中心線由南到北行進的各個工況下，測點4和測點9的應(yīng)變變化趨勢相似，即拉應(yīng)變逐漸增到最大值再逐漸減小到0、拉應(yīng)變變?yōu)閴簯?yīng)變、壓應(yīng)變逐漸增大。對于橋梁3／4跨斷面，當車載作用于拱頂附近時處于最不利工況，可以作為設(shè)計和觀測時的重點工況。

從圖10可以看出，重車車載沿橋中心線由南到北行進的各個工況下，測點5和測點10的應(yīng)變變化趨勢相似。測點5主要表現(xiàn)為拉應(yīng)變且存在拉應(yīng)變逐漸增大到最大值再逐漸減小的過程，測點10表現(xiàn)為壓應(yīng)變且存在壓應(yīng)變逐漸增大到最大值再逐漸減小的過程。車載作用于橋兩側(cè)時拉壓應(yīng)變比較小，隨著車載往橋中心移動，拉壓應(yīng)變逐漸增大且在橋拱頂附近達到最大值。對于橋北側(cè)拱腳斷面，當車載作用于拱頂附近時處于最不利工況，可以作為設(shè)計和觀測時的重點工況。

當重車車載作用于跨中附近時，各個測點的拉壓應(yīng)變值均較大?？梢姡斨剀囓囕d作用于跨中時，各測點均處于最不利工況，可作為設(shè)計和觀測的重點工況。

4 結(jié) 語

（1）重車沿橋中心線由南到北行進時，各個工況下縱斷面測點應(yīng)變變化規(guī)律相似；各個橫斷面對應(yīng)的2個測點應(yīng)變隨各個工況的變化趨勢相似。

（2）重車沿橋中心線由南到北行進時，由橋南到橋南路中線測點和左車道測點應(yīng)變均存在由壓應(yīng)變變?yōu)槔瓚?yīng)變再變?yōu)閴簯?yīng)變的變化趨勢，橋兩側(cè)拱腳位置主要表現(xiàn)為壓應(yīng)變，橋拱頂附近位置主要表現(xiàn)為拉應(yīng)變。

（3）重車沿橋中心線由南到北行進時，橋左右對稱斷面位置測點的應(yīng)變特征相反。

（4）重車沿橋中心線由南到北行進時，當車載車身位于拱頂附近位置拉應(yīng)變較大，位于拱頂位置時拉應(yīng)變達到最大值，此時可作為設(shè)計和觀測的重點工況。2／4跨測點附近折線斜率大，橋跨中附近應(yīng)變變化快，橋跨中位置可作為設(shè)計和觀測時的重點位置。