剛架拱橋舊橋加固方案論證分析

李油油,張鴻志

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,河南 鄭州 451450)

1 橋梁概況

天橋全長(zhǎng)75.04 m,橋跨結(jié)構(gòu)為一孔60 m剛架拱,矢跨比1/10;上部承重構(gòu)造為鋼筋混凝土剛架拱橋,橫向布置3道拱片,下部構(gòu)造為鋼筋混凝土U型橋臺(tái),剛性擴(kuò)大基礎(chǔ),橋面鋪裝類型為防水混凝土,橋面總寬7.5 m(車行道)+2×0.5 m(混凝土護(hù)欄)。設(shè)計(jì)荷載:汽-20、掛-100。于2007年9月建成通車。

2 橋梁病害

2020年9月份的橋梁定檢報(bào)告中,橋梁的主要病害為:弦桿U形、豎向裂縫;實(shí)腹段跨中U形、豎向開裂;橫系梁豎向裂縫;微彎板橫向裂縫;大、小節(jié)點(diǎn)開裂、銹蝕;橋面破損露筋和大面積網(wǎng)裂。該天橋橋梁技術(shù)狀況評(píng)分Dr為56.0分,屬于4類橋梁。

3 荷載試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)斷面

根據(jù)在荷載作用下主梁的軸力、彎矩、剪力、位移、應(yīng)力包絡(luò)圖,該天橋測(cè)試截面見圖1。

圖1 應(yīng)力測(cè)試截面布置圖

3.2 荷載工況

加載工況見表1。

表1 試驗(yàn)加載工況

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

(1)在試驗(yàn)荷載作用下,受力控制斷面的實(shí)測(cè)應(yīng)力均小于計(jì)算值,實(shí)測(cè)應(yīng)力在正常范圍之內(nèi),表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)在試驗(yàn)荷載作用下,各跨跨中撓度測(cè)試結(jié)果均小于計(jì)算值,校驗(yàn)系數(shù)在0.64～0.79之間,實(shí)測(cè)撓跨比小于規(guī)范限值(L/600),表明結(jié)構(gòu)抗彎剛度滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

(3)在拱頂最大正彎矩工況滿載作用下,0～3#拱腳位移0.24 mm,0～1#、0-2#拱腳位移均為0.00 mm。

(4)加載過程中,對(duì)控制截面進(jìn)行觀測(cè),在拱頂最大正彎矩工況滿載作用下,原有裂縫寬度增大0.06 mm(裂縫位于拱頂合攏段接縫位置),卸載后裂縫寬度變化量為0.00 mm,裂縫完全恢復(fù)初始狀態(tài)。

(5)該橋一階豎向振動(dòng)基頻為2.93 Hz,實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值2.06 Hz,橋梁豎向動(dòng)力剛度滿足要求。

(6)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)最大值為0.41,設(shè)計(jì)值0.17,大于設(shè)計(jì)值。

橋梁應(yīng)力、變形測(cè)試結(jié)果表明:總體上,實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算值有很好的吻合性,橋梁結(jié)構(gòu)工作狀況處于彈性范圍,橋梁實(shí)際強(qiáng)度、剛度和承載能力滿足原設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。但該橋沖擊效應(yīng)較大,主梁振動(dòng)明顯,說明該橋正常工作狀態(tài)下的動(dòng)力性能較差。

4 病害成因分析

4.1 受力分析

從剛架拱的受力狀態(tài)中可以得出:外弦桿為純受彎構(gòu)件;內(nèi)弦桿及實(shí)腹段主要為彎、壓構(gòu)件;大、小節(jié)點(diǎn)處負(fù)彎矩較大;拱腳及斜撐主要以受壓為主,為小偏心受壓構(gòu)件。

從以上對(duì)各構(gòu)件的受力分析得出,剛架拱橋的受力薄弱點(diǎn)主要為:實(shí)腹段跨中截面下緣,弦桿跨中截面下緣;大、小節(jié)點(diǎn)截面上緣。

4.2 病害影響因素

(1)設(shè)計(jì)因素:剛架拱橋的誕生與廣泛應(yīng)用是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)形式優(yōu)美、受力合理、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn),但當(dāng)時(shí)對(duì)該結(jié)構(gòu)的認(rèn)知并不全面,因此在后來的運(yùn)營(yíng)過程中,該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)逐漸暴露,不符合可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)理念。雖然在后續(xù)的新規(guī)范中逐漸完善該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念,但已修建橋梁的弊端仍然存在。

(2)相關(guān)參數(shù)取值差異:根據(jù)有關(guān)學(xué)者研究[2]早期剛架拱橋的沖擊系數(shù)取值采用《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 023—1985),與《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)相比沖擊系數(shù)相差185%～231%。沖擊系數(shù)取值較小,導(dǎo)致該橋正常工作狀態(tài)下的動(dòng)力性能較差,一定程度上誘發(fā)裂縫產(chǎn)生。

(3)重載車輛:根據(jù)調(diào)查該橋周圍存在工廠,長(zhǎng)期的重載交通是導(dǎo)致該橋出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性病害的主要原因。

(4)結(jié)構(gòu)整體性差:由該橋的檢測(cè)報(bào)告可知,該橋橫系梁產(chǎn)生豎向裂縫,致使拱片之間的橫向聯(lián)系減弱,影響拱片之間的協(xié)同作用。

5 加固改造方案

5.1 加固思路

(1)加強(qiáng)橋梁體剛度及抗彎承載力。

(2)減橋梁正常運(yùn)營(yíng)時(shí)上部活荷載。

(3)不采用增大截面法加固時(shí),盡量不增加橋梁自重。

5.2 加固原則

(1)加固設(shè)計(jì)方案應(yīng)針對(duì)橋梁病害,有效改善橋梁整體受力狀態(tài)。

(2)安全性原則。考慮方案優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),綜合考慮方案的缺點(diǎn)可能會(huì)對(duì)橋梁造成的不利影響。所采用的方案盡量不會(huì)產(chǎn)生新增病害。

(3)方便施工原則。加固方案應(yīng)充分考慮橋梁的地理位置,對(duì)于跨線天橋盡可能考慮橋下交通運(yùn)營(yíng)安全及施工難度、工期。

(4)經(jīng)濟(jì)性原則。在滿足橋梁可以正常安全運(yùn)營(yíng)的前提下,綜合考慮橋梁的設(shè)計(jì)安全等級(jí)、加固的經(jīng)濟(jì)性及交通量情況,選擇最優(yōu)方案,避免不必要的浪費(fèi)。

5.3 加固方案

依據(jù)加固目標(biāo)及加固原則,考慮增大截面加固方案[3]對(duì)橋下高速安全運(yùn)營(yíng)影響較大,且施工條件及難度較大。剛架拱橋結(jié)構(gòu)加固改造,同時(shí)采用粘貼鋼板加固法[4]與減小橋梁上部活載方案。

(1)粘貼鋼板加固

粘貼鋼板法加固原理[5];將鋼板粘貼在構(gòu)件受力薄弱邊緣,與構(gòu)件共同受力,可有效減小構(gòu)件受力邊緣的應(yīng)力、應(yīng)變及抑制裂縫發(fā)展,鋼板與構(gòu)件之間通過膠體進(jìn)行有效黏結(jié)。

粘貼鋼板加固構(gòu)件主要有:弦桿、拱腿、斜撐、拱片、橫向聯(lián)系及微彎板。

(2)減小車輛荷載方案

采用縮減車行道寬度的方案進(jìn)行處治,橋面布置形式改為:0.5 m橋梁混凝土護(hù)欄+1.5 m人行道+0.25 m車行道護(hù)欄+4 m車行道+0.25 m車行道護(hù)欄+1.5 m人行道+0.5 m橋梁混凝土護(hù)欄。車行道混凝土護(hù)欄高0.4 m,寬0.25 m。減小橋面鋪裝的厚度,來消除車行道護(hù)欄重量,從而達(dá)到不增加橋梁上部結(jié)構(gòu)自重的原則。

(3)混凝土表面開裂、破損處治方案

根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/TJ22—2008)規(guī)定:寬度小于0.15 mm裂縫采用表面封閉法;裂縫較深、寬度大于等于0.15 mm采用壓力灌注法。

對(duì)于混凝土破損露筋處治方案為[6]:對(duì)破損位置進(jìn)行清理,對(duì)銹蝕鋼筋進(jìn)行除銹阻銹,然后采用環(huán)氧砂漿進(jìn)行表面修補(bǔ)。

6 結(jié)構(gòu)有限元建模

6.1 有限元模型建立

采用有限元軟件midas civil建立剛架拱橋模型,全橋共計(jì)265個(gè)節(jié)點(diǎn),242個(gè)單元。拱腿、斜撐與橋臺(tái)的連接為固定鉸接,與弦桿的連接為剛性連接。單元材料采用C40混凝土,二期鋪裝采用均布荷載形式布置。

6.2 設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)荷載

(1)設(shè)計(jì)考慮荷載

加固前主要考慮:結(jié)構(gòu)自重、車道荷載與溫度荷載。其中,結(jié)構(gòu)自重系數(shù)取1.04;車道按2車道布置;溫度荷載按照升溫20 ℃,降溫-20 ℃考慮。

加固后主要考慮:結(jié)構(gòu)自重、車道荷載、人群荷載與溫度荷載。其中,車道荷載按1車道布置,人群荷載取3.0 km/m2。

(2)荷載組合

荷載組合采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTJ 021—89)。

6.3 加固前后對(duì)比分析

由于模型節(jié)點(diǎn)單元較多,因此選取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)第4章剛架拱結(jié)構(gòu)受力分析,選取剛架拱受力薄弱截面,如:拱腳截面、大節(jié)點(diǎn)、小節(jié)點(diǎn)、實(shí)腹段跨中截面、外弦桿跨中截面。

(1)位移對(duì)比分析

結(jié)構(gòu)位移能夠反映結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),根據(jù)加固前后位移對(duì)比可得:加固后實(shí)腹段跨中截面位移減小較為明顯,3號(hào)拱片實(shí)腹段跨中豎向位移減少35.7%,2號(hào)拱片實(shí)腹段跨中豎向位移減少16.7%;3號(hào)拱片大節(jié)點(diǎn)處豎向位移減少50%,2號(hào)拱片大節(jié)點(diǎn)處豎向位移減少35.2%;3號(hào)拱片小節(jié)點(diǎn)處豎向位移減少50%,2號(hào)拱片小節(jié)點(diǎn)處豎向位移減少33.3%;3號(hào)外弦桿跨中豎向位移減少66.7%,2號(hào)外弦桿跨中豎向位移減少40%。因此可得,該加固方式可以有效的改善橋梁的受力狀態(tài),有利于后期橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。加固前后橋梁位移對(duì)比表見表2。

表2 加固前后位移對(duì)比表 單位:mm

(2)彎矩對(duì)比分析

根據(jù)各關(guān)鍵截面彎矩分析,可以得出加固前實(shí)腹段跨中彎矩大于截面抗力,不滿足結(jié)構(gòu)受力特性。加固后實(shí)腹段跨中截面彎矩小于截面抗力,跨中最大彎矩減小20%,抗力增加26%,安全系數(shù)由0.73提高至1.15。加固前后橋梁關(guān)鍵截面彎矩具體值見表3、表4。

表3 加固前橋梁關(guān)鍵截面彎矩單位:kN·m

7 加固后評(píng)價(jià)

根據(jù)有限元模型計(jì)算可以得出,采用粘貼鋼板及減小橋梁活荷載的方案可以有效減小橋梁的整體受力性能。實(shí)腹段跨中截面最大豎向位移減小35.7%,跨中最大彎矩減小20%,抗力增加26%,完全系數(shù)由0.73提高至1.15。

根據(jù)養(yǎng)護(hù)部門提供的最新檢測(cè)報(bào)告,該橋加固后,結(jié)構(gòu)整體受力性能明顯得到改善,3、4類受力構(gòu)件已全部消除,特別是拱片及大、小節(jié)點(diǎn)的受力得到了明顯改善。該橋的橋梁技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)為1類,未見橋梁有新的結(jié)構(gòu)性病害產(chǎn)生,加固效果較為顯著。

8 結(jié) 論

(1)根據(jù)剛架拱的受力狀態(tài)得出:外弦桿為純受彎構(gòu)件,內(nèi)弦桿及實(shí)腹段為彎、壓構(gòu)件,拱腳及斜撐為小偏心受壓構(gòu)件。

(2)橋梁加固從增加橋梁自身結(jié)構(gòu)承載力及減輕上部活荷載兩個(gè)方面同時(shí)出發(fā),其加固效果更為顯著。可較大程度減小橋梁跨中豎向位移;減小實(shí)腹段跨中截面最大彎矩,提升截面抗力;提升橋梁安全系數(shù),使橋梁具有一定的超載潛力,保障橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。