大跨徑混凝土石拱橋加固檢測(cè)與評(píng)估

簡(jiǎn)華偉 劉美玉 劉英偉

（中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024）

0 引言

橋梁跨徑布置為2×72m的石拱橋，全長(zhǎng)165.83m，橋面布置為1.75m(人行道及欄桿)+7.0m（行車道）+1.75m(人行道及欄桿)，橋梁總寬 10.5m，該橋上部結(jié)構(gòu)為石砌等截面上承式板拱橋，矢跨比1/7，主拱圈高1.4m，寬 7.5m，拱上結(jié)構(gòu)為拱式拱上建筑。下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺(tái)，均為擴(kuò)大基礎(chǔ)，重力式橋墩。橋面鋪裝層為混凝土。

由于本橋設(shè)計(jì)年代久遠(yuǎn)，目前橋梁存在不同程度的病害，加之橋梁位于城區(qū)，兩岸車輛較多，為了滿足現(xiàn)有運(yùn)行量的要求，對(duì)本橋進(jìn)行加固改造設(shè)計(jì)，以達(dá)到美觀實(shí)用、緩解交通壓力的目的。改造后的結(jié)構(gòu)主體滿足公路-Ⅱ級(jí)荷載等級(jí)的要求。

為了確保加固過(guò)程中主體結(jié)構(gòu)始終處于安全的受力狀態(tài)，就需要進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)，為了使得加固效果更為合理，首先需要擬定合理的加固順序。施工監(jiān)控工作是在給定的施工路徑下進(jìn)行的所有監(jiān)測(cè)和控制工作的總和，監(jiān)控的主要目的是確保施工按照預(yù)定的路徑實(shí)施，最終達(dá)到預(yù)定的受力狀態(tài)。

圖1 加固前橋梁立面圖

1 監(jiān)控的理論、方法及設(shè)備

1.1 監(jiān)控理論

本橋梁的監(jiān)測(cè)主要采用自適應(yīng)控制法，該方法適應(yīng)現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)高次超靜定、施工工序多和影響因素復(fù)雜的特點(diǎn)。通過(guò)反饋控制，橋梁施工過(guò)程中的各種設(shè)計(jì)參數(shù)誤差和環(huán)境因素干擾等得到及時(shí)辨識(shí)修正，并實(shí)時(shí)指導(dǎo)后續(xù)的施工作業(yè)，從而確保施工控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1.2 誤差分析與預(yù)測(cè)方法

由于測(cè)量數(shù)據(jù)不管是應(yīng)力還是撓度數(shù)據(jù)，都是包括結(jié)構(gòu)真實(shí)響應(yīng)、環(huán)境誤差影響后的表觀值，數(shù)據(jù)成分中僅有結(jié)構(gòu)真實(shí)響應(yīng)是對(duì)監(jiān)控有意義的。由于拱橋結(jié)構(gòu)受溫度等因素影響較大，監(jiān)控測(cè)試工作首先應(yīng)該選擇在外部影響因素較小的情況下進(jìn)行，盡量避免系統(tǒng)誤差。同時(shí)，根據(jù)對(duì)敏感參數(shù)的敏感性分析，可以對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，本項(xiàng)目采用最小二乘法對(duì)溫度等參數(shù)進(jìn)行了識(shí)別，進(jìn)而剔除了溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

1.3 監(jiān)控的主要儀器

應(yīng)力測(cè)試選用鋼弦式應(yīng)力傳感器若干和鋼弦式應(yīng)力傳感器讀數(shù)儀 1臺(tái)；標(biāo)高位移測(cè)量選用精密水準(zhǔn)儀和全站儀拓普康。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案

護(hù)國(guó)大橋應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在各跨拱腳、1/4截面、拱頂和3/4截面。拱圈截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)（包括新增混凝土截面）如下：

圖2 主拱截面拱頂控制界面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置及大樣圖

圖3 主拱截面拱腳段控制界面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置及大樣圖

2.2 撓度監(jiān)測(cè)方案

護(hù)國(guó)大橋撓度測(cè)點(diǎn)布置在各跨1/4點(diǎn)位置。

2.3 監(jiān)控預(yù)警機(jī)制

監(jiān)控預(yù)警以主要承載結(jié)構(gòu)——主拱的控制截面應(yīng)力作為指標(biāo)。以“主拱控制截面應(yīng)力是否超過(guò)某一限值為依據(jù)，超限則發(fā)出預(yù)警”，并進(jìn)行施工工序調(diào)整以防止結(jié)構(gòu)朝受力不利方向繼續(xù)發(fā)展。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

按照加固施工順序，重點(diǎn)測(cè)試了各個(gè)工況下控制截面的應(yīng)力和撓度。具體的施工順序如下表1所示。

表1 混凝土大橋加固維修施工順序

3.1 有限元模型

除了實(shí)測(cè)截面應(yīng)力和撓度之外，還采用有限元軟件Midas/Civil 2015版建立有限元模型，對(duì)石拱橋施工階段受力進(jìn)行分析。其中橋面鋪裝考慮為荷載作用，而不參與結(jié)構(gòu)受力；對(duì)主拱圈和腹拱圈采用外包混凝土進(jìn)行加固過(guò)程采用“施工階段聯(lián)合截面”功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；模型中的相關(guān)參數(shù)均按維修加固設(shè)計(jì)文件、檢測(cè)結(jié)果及提供模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行取值；邊界條件按橋梁實(shí)際情況進(jìn)行模擬。

結(jié)構(gòu)共離散為381個(gè)節(jié)點(diǎn)，350個(gè)單元，模型如圖4所示。

圖4 混凝土拱橋有限元模型

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

主要對(duì)實(shí)測(cè)和ansys軟件計(jì)算下，主拱圈監(jiān)控控制截面在各個(gè)施工階段下的撓度和應(yīng)力進(jìn)行分析。圖4中第一跨和第二跨的左拱腳、1/4截面、拱頂、3/4截面和右拱腳對(duì)應(yīng)的截面分別為A1、A2、A3、A4、A5和B1、B2、B3、B4和B5。監(jiān)測(cè)和計(jì)算都給出了每個(gè)截面在每種工況下的應(yīng)力和撓度的實(shí)測(cè)值和理論值，觀察數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)值和理論值相差不大。

這里，選部分截面為例來(lái)說(shuō)明，列出A1、A3、A4和B1截面對(duì)應(yīng)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值和理論值的對(duì)比圖，以及A3截面對(duì)應(yīng)的撓度的實(shí)測(cè)值和理論值的對(duì)比圖，如下所示。

圖5 A1截面上緣在各工況下的應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比（MPa）

圖6 A3截面上緣在各工況下的應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比（MPa）

圖7 A4截面上緣在各工況下的應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比（MPa）

圖8 B1截面上緣在各工況下的應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比（MPa）

圖9 A3截面在各工況下的撓度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比（mm）

圖10 B3截面在各工況下的撓度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比（mm）

注：以上對(duì)比圖的實(shí)測(cè)源數(shù)據(jù)，是在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上經(jīng)誤差分析后得到的。誤差主要來(lái)源包括，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，這部分計(jì)算值未考慮，在進(jìn)行對(duì)比的時(shí)候?qū)?shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度敏感性分析。

從以上對(duì)比分析圖，可看出理論計(jì)算同實(shí)測(cè)結(jié)果吻合情況較好，且實(shí)測(cè)控制截面應(yīng)力始終未超過(guò)材料容許強(qiáng)度，說(shuō)明結(jié)構(gòu)始終處于安全狀態(tài)。

3.3 加固完成后橋面線形

采用精密水準(zhǔn)儀對(duì)成橋后橋面線形進(jìn)行了測(cè)量，監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)采用二等水準(zhǔn)路線閉合控制精度。

成橋后橋面共設(shè)置63個(gè)線形觀測(cè)點(diǎn)，上、中、下游各布設(shè)一條測(cè)線，每條測(cè)線共21個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)順橋向均位于各跨拱腳、1/8截面、跨中位置、橋墩順橋向中心及橋臺(tái)距橋臺(tái)端拱腳5m位置。大橋左、中、右線截面控制點(diǎn)實(shí)測(cè)標(biāo)高趨勢(shì)線見(jiàn)示意圖11。

圖11 橋面控制點(diǎn)實(shí)測(cè)標(biāo)高趨勢(shì)線示意圖

由圖11可以看出：橋面線形平順，左線、中線和右線橋面線形吻合較好。

4 結(jié)論

通過(guò)全程監(jiān)控加固過(guò)程，實(shí)測(cè)各控制截面應(yīng)力及撓度，并經(jīng)大量分析，得到以下結(jié)論：

1、對(duì)比理論與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（剔除誤差得到有效數(shù)據(jù)），理論與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合，表明加固依循預(yù)定路徑得到了較好的實(shí)施。

2、加固全過(guò)程，主拱結(jié)構(gòu)始終處于彈性范圍，安全得到保障。