大跨度雙曲拱橋加固與檢驗(yàn)分析

譚榮生

(廣西壯族自治區(qū)寧明公路養(yǎng)護(hù)中心,廣西 崇左 532599)

0 引言

大跨度雙曲拱橋結(jié)構(gòu)新穎美觀、施工材料節(jié)約、施工工藝簡單,可有效降低工程造價(jià),因此在我國公路橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而,近年來隨著汽車保有量的增加,橋梁所承受的車輛荷載不斷增加,重載車輛和超載車輛對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的破壞。早期修建的大跨度雙曲拱橋設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)較低,結(jié)構(gòu)上也存在一定的缺陷和不足,在重載車輛的荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)了一些破壞,亟須進(jìn)行改造和加固。本文以某大跨度雙曲拱橋的加固施工為研究背景,結(jié)合橋梁病害調(diào)查結(jié)果,制定加固方案,并通過現(xiàn)場靜載試驗(yàn)檢驗(yàn)加固效果[1-2]。

1 大跨度雙曲拱橋加固方案

1.1 工程簡介

某大跨度雙曲拱橋采用空腹式雙曲拱橋設(shè)計(jì),中心樁號(hào)為K45+517,全長為100 m,單孔跨徑為70 m。雙曲拱橋主拱圈由5肋4波組成,主拱肋采用變截面設(shè)計(jì),拱軸系數(shù)為5.232。橋面凈寬為8 m,其中行車道寬度為7 m,兩側(cè)路緣帶寬度為0.5 m。該雙曲拱橋原設(shè)計(jì)荷載為汽車-13級(jí),設(shè)計(jì)等級(jí)較低。近年來,橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)多處病害,亟須進(jìn)行維修改造。

1.2 橋梁病害調(diào)查

現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果顯示,該大跨度雙曲拱橋存在以下病害:橋面局部沉降變形和路面平順度差,這是由于拱上填料含水率較高,導(dǎo)致作用在其上部的荷載量增加,同時(shí)承載能力下降,是橋面下沉的主要原因;局部路段橋梁兩側(cè)護(hù)欄向外推移,是由于拱腹側(cè)墻產(chǎn)生了明顯的外移現(xiàn)象,進(jìn)而造成兩側(cè)護(hù)欄外移;主拱和腹拱拱圈頂部個(gè)別位置有明顯開裂現(xiàn)象,局部結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重。另外,檢測顯示橋面防水層已經(jīng)失效,導(dǎo)致水分滲入,進(jìn)而造成拱圈及拱波滲水嚴(yán)重。

1.3 制定加固方案

橋梁加固設(shè)計(jì)以保護(hù)原橋主要結(jié)構(gòu)為原則,對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行保護(hù),以防止破壞原有的受力結(jié)構(gòu)。加固構(gòu)件應(yīng)能與原橋構(gòu)件協(xié)同作用,加固后盡快發(fā)揮作用,與原橋結(jié)構(gòu)共同承受荷載[3]。以往采用粘鋼加固法加固對(duì)雙曲拱橋的承載能力提高作用不大,因此本項(xiàng)目采用了箱形鋼拱法進(jìn)行加固。通過計(jì)算確定了橋梁承載力較差的部位,有針對(duì)性地進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固,提高橋梁的承載能力;對(duì)橋梁裂縫及其他病害進(jìn)行了維修加固或更換,提高橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]。加固前后結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。加固后,橋梁荷載等級(jí)將從原來的汽車-13級(jí)、拖車-60級(jí)升級(jí)到公路-Ⅱ級(jí)。

(a)加固前

箱形鋼拱法加固選用6 mm厚16號(hào)錳鋼鋼板,分別粘貼在拱肋底部和拱肋側(cè)面,并在底部通過焊接與其他部分的鋼板形成一個(gè)整體,形成箱形鋼拱。箱形鋼拱與原拱肋形成一個(gè)整體,提高了橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度,也有效控制了橋梁主拱和腹拱裂縫的擴(kuò)展。其中,拱肋底部鋼板厚度為6 mm、拱肋側(cè)面鋼板厚度為10 mm、箱形鋼拱底部鋼板厚度為10 mm。

2 靜載試驗(yàn)方案

2.1 測點(diǎn)布置

該大跨度雙曲拱橋加固后,對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)施加靜力荷載,分別選取最不利的截面,通過量測拱肋和拱波位置的位移和應(yīng)變來分析典型截面的撓度。同時(shí)在試驗(yàn)過程中檢查拱圈的裂縫變化情況,觀察有無新裂紋產(chǎn)生,分析裂縫有無發(fā)展的情況,確定分布規(guī)律。

根據(jù)大跨度雙曲拱橋的受力特點(diǎn),分別在主拱肋的各部位設(shè)置測試截面,并在各測試截面的拱肋和拱波處布置應(yīng)力和位移測點(diǎn)。主拱肋測試截面的布置如圖2所示。

圖2 工況一:單側(cè)拱腳截面處正彎矩最不利位置縱向加載示意圖(cm)

圖2 主拱肋測試截面布置示意圖

圖3 工況二:單側(cè)拱腳截面處負(fù)彎矩最不利位置縱向加載示意圖(cm)

圖4 工況三:跨中截面處的正彎矩最不利位置縱向加載示意圖(cm)

2.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

靜載試驗(yàn)所使用的檢測儀器包括應(yīng)變儀1套、全站儀1套、刻度放大鏡2只、塞尺2只、鋼鉉式應(yīng)變計(jì)20只、反光板15個(gè)和鋼卷尺一把。試驗(yàn)加載車輛共4輛,車輛主要參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)加載車輛主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.3 試驗(yàn)工況及加載方案

本試驗(yàn)分別選擇單側(cè)拱腳截面處正彎矩和負(fù)彎矩最不利位置、跨中截面處的正彎矩最不利位置,沿橋梁縱向布載,分三種工況分別進(jìn)行加載[5],三種工況加載示意圖如圖2～4所示。

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 撓度檢測結(jié)果分析

分別在各加載工況下對(duì)各測點(diǎn)撓度進(jìn)行檢測,統(tǒng)計(jì)三個(gè)工況下各測點(diǎn)撓度實(shí)測結(jié)果和計(jì)算結(jié)果平均值如表2所示。

經(jīng)過分析表2所示的數(shù)據(jù),可知各工況下三個(gè)截面各測點(diǎn)撓度實(shí)測結(jié)果平均值均小于計(jì)算結(jié)果平均值,并且校驗(yàn)系數(shù)均分布在0.60～0.78,滿足《公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程》(JTG T J21-2011)中規(guī)定的雙曲拱橋位移校驗(yàn)系數(shù)應(yīng)分布在0.6～1.0的要求。結(jié)合各測點(diǎn)的檢測結(jié)果,三個(gè)工況下各測點(diǎn)的撓度實(shí)測值均小于設(shè)計(jì)值,且校驗(yàn)系數(shù)均分布在0.6～1.0,說明加固后該大跨度雙曲拱橋撓度變形在規(guī)定范圍之內(nèi),橋梁荷載-變形性能較好,能夠滿足公路-Ⅱ級(jí)荷載的通行要求[6]。

3.2 應(yīng)力檢測結(jié)果分析

在靜載試驗(yàn)過程中,分別測定各測點(diǎn)的應(yīng)力值,統(tǒng)計(jì)三個(gè)工況下各測點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測結(jié)果和計(jì)算結(jié)果平均值,如下頁表3所示。

表3 各工況下各測點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

分析表3的應(yīng)力和應(yīng)變檢測結(jié)果可以得出,應(yīng)力實(shí)測結(jié)果均值均小于計(jì)算結(jié)果均值,校驗(yàn)系數(shù)分布在0.68～0.82,滿足《公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程》(JTG T J21-2011)中規(guī)定的雙曲拱橋應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)應(yīng)分布在0.6～1.0的要求。結(jié)合各測點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變檢測結(jié)果,應(yīng)力實(shí)測值均小于計(jì)算值,且應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均分布在0.6～1.0,說明在三個(gè)工況加載下,橋梁結(jié)構(gòu)均處于正常工作范圍內(nèi),達(dá)到公路-Ⅱ級(jí)荷載的設(shè)計(jì)要求,加固方案達(dá)到了預(yù)期的加固效果。

4 結(jié)語

本研究以大跨度雙曲拱橋加固案例為研究對(duì)象,根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果制定加固方案,采用箱形鋼拱法加固后進(jìn)行靜載試驗(yàn)以檢驗(yàn)加固效果,分析試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論:

(1)加固后各工況下?lián)隙葘?shí)測值均小于計(jì)算值,且校驗(yàn)系數(shù)分布在0.60～0.78,說明加固后該大跨度雙曲拱橋位移變形達(dá)到了公路-Ⅱ級(jí)荷載設(shè)計(jì)要求,橋梁荷載-變形性能較好。

(2)加固后各工況下應(yīng)力實(shí)測值也小于計(jì)算值,且校驗(yàn)系數(shù)分布在0.68～0.82,說明在各工況加載下橋梁結(jié)構(gòu)均處于正常的工作狀態(tài),滿足公路-Ⅱ級(jí)荷載的設(shè)計(jì)要求。因此,該加固方案是合理可行的。