某雙曲拱橋鋼箱加固效果評定

劉學術

甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030

雙曲拱橋是一種具有我國地域特色的橋梁形式，主要建造于20世紀60年代至80年代中期。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國共修建有雙曲拱橋4000余座，占同期全國公路橋梁總數(shù)的25%。但是，由于受當時設計水平、施工質量及理論研究等條件的限制，雙曲拱橋存在設計標準低、通行能力小、結構整體穩(wěn)定性弱及強度低等缺陷，再加上運營年限、交通流量及荷載等級等因素的影響，近幾年，雙曲拱橋的病害越來越突出，甚至影響了其安全使用。對于以上現(xiàn)狀和問題，鋼箱加固法是一種增大雙曲拱橋拱肋截面的便捷加固方法，有必要對鋼箱加固后雙曲拱橋的承載力、剛度及整體性等指標的改善效果進行深入研究，為雙曲拱橋鋼箱加固方法做技術鋪墊。

1 工程概況

某橋鋼筋混凝土雙曲拱橋跨徑布置為4×48.26m，橋長214.24m，橋面寬6.5m，拱軸系數(shù)為4.324，矢跨比為1/8，橫斷面為四肋三波。主拱肋斷面尺寸為30cm×48cm，拱肋分3段預制安裝，材料采用300#鋼筋混凝土，沿橋縱向每兩片肋間設15道12號槽鋼橫系梁，拱波為200#混凝土圓弧預制塊，厚度為8cm，腹拱是矢跨比為1/2的鋼筋混凝土圓弧拱，腹拱立柱間凈距為3.0m，腹拱圈厚0.4m，腹拱材料為200#混凝土。橋臺采用空腹式U型橋臺、明挖擴大基礎，橋墩為圓端形實體墩、沉井基礎。橋梁于1968年建成并投入使用，設計荷載為汽-13、拖-60級。

通過現(xiàn)場調查結合實橋試驗測試鑒定結果發(fā)現(xiàn)，該橋經(jīng)過近50年的運營，第二孔拱頂截面上方的橋面嚴重下沉，大車通過時橋梁有明顯的橫向振動，偏載作用下各片拱肋應力撓度實測的橫向分布和理論差異較大，動載試驗所得的實測沖擊系數(shù)大于理論值，實測基頻與理論基頻之比為0.872。根據(jù)以上結果，判定該橋處于危險運營狀態(tài)。

經(jīng)過分析認為，該雙曲拱橋出現(xiàn)以上病害的主要原因如下：雙曲拱橋結構本身比較零散、整體性不好，橫向聯(lián)系薄弱，不利于橫向內力和變形的傳遞；3段預制安裝的拱肋施工方法，在拱肋預制時由于預拱度預留不準確，拱肋安裝后拱軸線存在一定的幾何變形；該橋設計荷載較低，不能滿足當前的交通需求，長期的超載運營使得主拱變形嚴重，主拱拱頂下沉使得部分拱波被壓碎，側墻開裂，腹拱錯位，橋梁線形呈波浪形。

為了滿足承載能力和正常使用的要求，針對以上病害及病害產生原因，對該雙曲拱橋主要進行了拱肋鋼箱加固、橫系梁補強加固，具體加固尺寸如圖1所示。

圖1 拱肋鋼箱加固（單位：cm）

拱肋鋼箱加固是先將厚度為6mm、材料為Q235A的2塊側面鋼板和1塊拱肋下緣粘貼鋼板焊接成一內寬度和拱肋等寬的“H”形鋼槽，將“H”形鋼槽嵌套錨固至拱肋，然后用封口鋼板對“H”形鋼槽下緣進行焊接封口，最后在拱肋內填充C40混凝土至密實。橫系梁補強加固是先按照相關尺寸在每道橫系梁連接的兩片拱肋上植入Φ22螺紋鋼筋，并在其上綁扎箍筋，然后用C30混凝土澆筑高35cm、寬22cm的鋼筋混凝土補強橫系梁。

2 加固效果分析

2.1 有限元計算

（1）基本假定。①下部結構及基礎剛度較大，車輛過橋時拱腳不產生平動位移，其約束按固定鉸考慮。②橋面鋪裝層在結構有限元計算時僅考慮其質量的影響，且不考慮拱上建筑的聯(lián)合作用。

（2）有限元模擬分析。基于以上基本假定，建立有限元模型，其中拱肋、橫系梁、腹拱立柱用一般梁單元，拱波及腹拱圈用板單元，橋面板用解除梁端鉸約束的梁單元，拱腳約束采用固定鉸模擬，拱肋截面采用鋼-混凝土組合截面，運用模型對結構進行靜、動力計算分析。

通過有限元結果結合壓彎構件的理論計算，分別對加固前后拱肋1/4跨截面、拱頂截面的壓彎承載力進行計算，并對加固前后對拱肋承載力起控制作用的拱頂截面對應的抗力與效應比值、橋梁的豎向及橫向基頻進行計算分析，其結果如表1所示。

由表1可知，加固后拱肋承載力主要控制截面的承載力控制值均有所提高，且幅度在10%以上，同時，加固后拱頂截面對應的抗力與效應比值大于1，且較加固前提高幅度達到11.3%，說明加固有效地提高了拱肋承載能力，且具有一定的安全儲備；加固前后橋梁基頻的提高說明加固使橋梁的整體性得到了改善，故其橫向整體穩(wěn)定性有所提高。

表1 加固前后拱肋承載力、抗力與效應比值及自振頻率計算結果

2.2 荷載試驗

（1）靜載試驗。為了真實反映鋼箱加固對雙曲拱橋的加固效果，依據(jù)《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）和《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）對該橋在加固前后分別進行了荷載試驗。根據(jù)規(guī)范標準的規(guī)定，靜載試驗分單車和雙車、對稱和非對稱，一共采用了7種加載工況，加載截面分別為L/4截面、拱頂截面及3L/4截面；選用的加載車輛總重量為33t，主要截面荷載試驗加載效率指標為1.09；主要測試截面分別為L/4截面、拱頂截面、3L/4截面及拱腳截面，主要應力和位移測點均布置在拱肋下緣中心。

（2）動載試驗。動載試驗的主要項目分脈動試驗和跑車試驗。脈動試驗在拱頂橋面布置拾振器測試結構的自振周期及頻率等動力特性，跑車試驗通過測試單車分別以10km/h、15km/h及20km/h通過橋梁時的動位移時程來計算確定結構的沖擊系數(shù)及阻尼比。

2.3 加固效果分析

通過加固前后的荷載試驗，分別對加固前后拱肋的拱腳截面、1/4跨截面及拱頂截面在單車和雙車兩種加載工況下的應力和撓度進行了測試并分析，同時對加固前后橋的橫、豎向基頻實測結果進行了對比分析，結果如表2所示。

由表2可知，加固后拱肋主要控制截面的最大應力均有所下降，且幅度在8.0%以上，主要控制截面的撓度減小幅度在15%左右，說明加固有效地改善了結構的強度和剛度，同時，對結構基頻實測值對比發(fā)現(xiàn)，橫向基頻提高達25%，有效地提高了結構的整體性和橫向穩(wěn)定性。

表2 加固前后拱肋應力、撓度、自振頻率荷載試驗實測結果

3 結論

文章介紹了某雙曲拱橋的病害調查、病害機理分析及加固方法研究，通過加固前后的實橋荷載試驗結合有限元分析，研究了該橋所采用的鋼箱加固法的加固效果，得到了如下結論。

（1）由于構件零散等結構本身的缺點、通行荷載等級及交通量的不斷提高，以及施工設計缺陷等問題，我國的大多數(shù)雙曲拱橋已處于嚴重的病害高發(fā)期階段，甚至已直接影響其安全運營，應加強平時的檢查和必要的維修加固。

（2）通過計算可知，鋼箱加固法能有效提高雙曲拱橋拱肋的承載力和安全系數(shù)，橫系梁的補強加固對改善雙曲拱橋的整體性和橫向剛度具有顯著效果。

（3）案例雙曲拱橋所采用的鋼箱加固法+橫系梁補強加固法中，對該橋的各項主要控制指標提高量在10%以上，達到了加固的目的；同時，表明了鋼箱加固法可作為提高既有雙曲拱橋承載力的一種有效加固方法推廣采用。