雙曲拱橋加固后靜載試驗研究

江 山

(1.安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥 230051;2.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230051)

雙曲拱橋加固后靜載試驗研究

江 山1,2

(1.安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥 230051;2.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230051)

文章詳細介紹了某雙曲拱橋采用組合式拱肋的新型加固方法，并通過橋梁加固后的靜載試驗，介紹了靜載試驗方法及內(nèi)容，并對試驗結果進行了詳細的分析。試驗結果表明，加固后橋梁承載能力滿足公路-Ⅱ級的要求。同時也表明，組合式拱肋的新型加固方法對提高雙曲拱橋承載能力和橫向整體性的加固效果顯著，對該類橋梁加固和承載能力檢測提供有益參考。

雙曲拱橋；組合式拱肋；靜載試驗；承載能力

1 工程概況

某雙曲拱橋位于安徽省省道S326上。上部結構為3孔凈跨徑29.6 m的雙曲拱橋， 6肋5波結構。凈矢跨比為1/9.6。該橋20世紀60年代建成通車，運營至2013年4月時經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，其縱向中心線位置拱波片沿波頂中心連線處斷裂，主拱肋及墩臺滲水嚴重，橋面鋪裝出現(xiàn)大量縱橫向裂縫，嚴重影響橋梁結構和人車通行安全，并評定為四類橋。

1.1 主要病害及原因

(1) 由于原橋未設置沉降縫，橋面鋪裝在起拱線對應位置出現(xiàn)橫向貫通裂縫。

(2) 橋面在橋梁中心線處出現(xiàn)縱向裂縫，且橋梁中心線處拱波斷裂，是由于橋梁橫向聯(lián)系薄弱，重載車輛較多，且車輛偏載行駛現(xiàn)象嚴重造成。

(3) 由于橋面鋪裝損毀嚴重，泄水管堵塞，排水不暢，雨水下滲至拱板及拱上立柱，造成立柱及拱底滲水析白，混凝土碳化嚴重。

為保證過往車輛及行人安全，針對該橋的病害特點及原因分析，確定了利用原橋下部結構、拆除并重新設置拱上建筑的加固設計方案。

1.2 加固方案

(1) 拆除原拱上建筑，對原有主拱肋進行鑿毛處理，采用C40微膨脹混凝土填平拱波波谷至高出拱波15 cm，形成新的拱板與原拱肋共同受力的組合式拱肋。

(2) 采用增大截面的方法對橋臺和橋墩處的拱腳進行加固處理。

(3) 修復主拱肋、拱波及橫系梁的現(xiàn)有缺陷，主要為裂縫封閉、破損混凝土修復、銹蝕鋼筋的處理。

(4) 重新設置拱上建筑，增設板式橡膠支座，澆筑現(xiàn)澆連續(xù)板，將原橋梁拱上建筑轉換為梁式結構。

(5) 重新設置橋面系，新橋面較原橋面抬高30 cm，完善橋梁接線。

由于本橋病害為雙曲拱橋型較為典型的病害，相關部門將該橋作為專項研究工程，采取組合式拱肋的新型加固方法進行橋梁加固，加固后的設計荷載采用公路-Ⅱ級，并在施工結束后進行成橋靜載試驗以檢驗加固效果。

2 靜載試驗

評估拱式結構在試驗荷載作用下的結構行為一般從抗彎能力、變形能力、裂紋分布及狀態(tài)3 個方面進行。根據(jù)拱式結構在最不利截面處的上述行為表現(xiàn)可以很好地評價主拱結構的工作性能。在擬定試驗方案時，根據(jù)一般工程載重車輛情況，并兼顧考慮該橋重載車輛較多，且偏載情況嚴重，同時結合該橋的受力特點，根據(jù)相關試驗規(guī)范的要求來確定試驗車輛重量和試驗加載方案[1-11]。

2.1 計算分析

利用橋梁專用有限元計算分析軟件MIDAS/Civil建立有限元模型對結構進行計算，計算在試驗荷載作用下結構控制測點的位移、應變(應力)等參數(shù)。該橋原設計荷載等級不詳，本次荷載試驗的控制荷載為公路-Ⅱ級，結構計算模型如圖1所示。

圖1 橋梁計算模型

2.2 靜載試驗工況設置

在求得橋梁在控制荷載作用下的內(nèi)力后，確定試驗截面，如圖2所示。并根據(jù)各控制截面影響線，按受力最不利原則確定車輛加載方案，典型工況加載布置圖見圖3～圖6所示。試驗車輛為2輛單車重量為420 kN的后雙軸車，各工況試驗荷載效率見表1所列。主要試驗加載工況如下:

(1) 工況一：第1跨近拱頂A截面最大正彎矩偏載試驗，測試A截面拱肋各測點的撓度和應變。

(2) 工況二：第1跨拱頂B截面最大正彎矩偏載試驗，測試B截面拱肋各測點的撓度和應變。

(3) 工況三：第1跨1#墩拱腳C斷面最大負彎矩偏載試驗，測試C截面拱肋各測點應變。

(4) 工況四：第2跨1/4跨D斷面最大正彎矩偏載試驗，測試D截面拱肋各測點撓度和應變。

圖2 試驗控制截面布置圖(cm)

表1 靜載試驗效率系數(shù)

圖3 工況一車輛加載布置圖(cm)

2.3 靜載試驗測點布置

主要測試結構各控制截面的變形(撓度)和應變(應力)。撓度采用機械式百分表測試，應變采用電阻應變片及靜態(tài)應變采集系統(tǒng)測試。各截面測點布置見圖7所示。

圖4 工況二車輛加載布置圖(cm)

圖5 工況三車輛加載布置圖(cm)

圖6 工況四車輛加載布置圖(cm)

圖7 試驗截面應力及撓度測點布置(cm)

2.4 靜載試驗結果

2.4.1 拱肋撓度

在各工況試驗荷載作用下，測試拱肋實際撓度并與理論值相比較。典型工況下拱肋撓度實測值及理論值見圖8～圖11所示。撓度以向下為正。

撓度是一個反映結構受力性能的綜合性指標,撓度校驗系數(shù)的大小直接反映構件承載能力的好壞。

圖8 工況一荷載作用下A截面測點撓度

圖9 工況二荷載作用下A截面測點撓度

圖10 工況三荷載作用下A截面測點撓度

圖11 工況四荷載作用下A截面測點撓度

對實測值與理論分析值的分析結果表明: 各截面測點撓度校驗系數(shù)均值在0.55～0.86，而鋼筋混凝土拱橋的撓度校驗系數(shù)通常在0.50～1.00之間，可見本橋的撓度校驗系數(shù)在常值范圍內(nèi)，說明橋跨結構在等效試驗荷載作用下變形性能和靜力剛度較好，能夠滿足公路-Ⅱ級荷載的使用要求。

2.4.2 拱肋應變

在各工況試驗荷載作用下，測試拱肋實際應變并與理論值相比較。典型工況下拱肋應變實測值及理論值見圖12～圖15所示。

圖12 工況一荷載作用下A截面測點應變

圖13 工況二荷載作用下A截面測點應變

對實測值與理論分析值的分析結果表明: 各截面測點應變校驗系數(shù)均值在0.52～0.88，而鋼筋混凝土拱橋的應變校驗系數(shù)通常在0.50～0.90之間，可見本橋的應變校驗系數(shù)在常值范圍內(nèi)，這說明橋跨結構在等效試驗荷載作用下強度較好，能夠滿足公路-Ⅱ級荷載的使用要求。

圖14 工況三荷載作用下A截面測點應變

圖15 工況四荷載作用下A截面測點應變

2.4.3 橋梁彈性恢復性能

卸載后間隔15 min讀取殘余值，撓度測點最大相對殘余變形為5.66%，應變測點最大相對殘余應變?yōu)?.86%，相對殘余值均小于規(guī)范要求的20%，說明橋梁具有較好的彈性工作性能。

從表1可知,當最大工況分別作用于各測試截面的最不利載位時,控制測點的實測應變值均未超過理論值,校驗系數(shù)主要分布在0.40～0.60之間,說明該橋所測構件的強度達到設計要求。卸載后殘余應變較小,最大殘余應變僅為最大荷載作用下變形的17% ,說明該跨應變回零情況較好。

2.4.4 裂縫分析

在試驗前后，對橋梁典型控制截面進行裂縫檢查，未發(fā)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生。

3 結束語

(1) 在試驗荷載(2輛42 t汽車) 作用下，橋梁撓度校驗系數(shù)及應變校驗系數(shù)均小于1.0，表明該橋承載能力能滿足公路-Ⅱ級設計荷載的正常使用要求。

(2) 結構在試驗荷載作用下，撓度及應變沿橋梁橫向分布較均勻，橫向聯(lián)系效果良好。

(3) 試驗荷載卸載后，結構各測點相對殘余變形(應變)均小于20%，結構的彈性恢復性能良好。

(4) 試驗前后，未發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生。

綜合分析認為，采用組合式拱肋的新型加固方法加固后的該雙曲拱橋整體受力性能良好，加固效果顯著，滿足公路-Ⅱ級的設計荷載要求。

4 建 議

(1) 建議在拱頂及拱腳關鍵部位增設永久位移觀測點，定期對其豎向沉降及水平位移進行觀測。

(2) 建議按照養(yǎng)護規(guī)范要求委托具有相關資質(zhì)的檢測單位對橋梁進行定期檢查，當病害原因難以判斷時，進一步采用荷載試驗的方式檢驗橋梁實際承載能力，并積累技術資料以掌握橋梁的實際工作狀態(tài)和材質(zhì)退化情況。

(3) 鑒于橋梁位處交通繁忙的省道交匯口，車流量大，重載車輛多，偏載情況嚴重等因素，建議管養(yǎng)部門進行適當限載，引導車輛行進路線，減少嚴重偏載對橋梁結構造成的損傷。

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2016-10-22；修改日期：2016-10-26

江 山(1983-)，男，安徽合肥人，安徽省公路工程檢測中心工程師．

U448.34;U448.224

A

1673-5781(2016)05-0659-04