基于荷載試驗的既有大跨徑桁架拱橋加固后承載能力評定

1 引言

桁架拱橋是20 世紀(jì)60 年代末發(fā)展起來的一種輕型拱橋，具有外形簡潔美觀、用料節(jié)省、自重輕、剛度大、整體性好、預(yù)制裝配程度高、施工簡便、造價低廉并適合在軟土地基上修建等特點，早些年在我國得到了廣泛應(yīng)用。 但是桁架拱存在著主拱片、微彎板、混凝土填平層以及橋面鋪裝之間連接強度不足、橫向和縱向剛度較弱等缺陷，隨著近年來交通量和重型車輛的不斷增加，原有橋梁出現(xiàn)了各種病害，以致不能夠滿足目前的交通需求，影響到了橋梁的使用和行車安全[1]。 本文以實際參與檢測的甘肅省境內(nèi)某大跨徑桁架拱橋為研究對象，通過對橋梁的內(nèi)力分析及現(xiàn)場荷載試驗， 研究了既有加固后桁架拱橋內(nèi)力及變形性能，評價了橋梁的整體承載性能，為該橋梁今后運營及再次維修加固提供依據(jù)。

2 橋梁概況

某主跨為1-70 m 的鋼筋混凝土桁架拱橋，矢跨比為1/6，采用轉(zhuǎn)體法施工，建成于2003 年7 月。 橋梁設(shè)計荷載等級為汽-20，掛-100，橋梁寬度為凈9.0 m+2×1.75 m，桁架拱軸線按二次拋物線設(shè)計。 隨著該地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，經(jīng)過該橋梁的大、中型超重車輛日益增多，超載現(xiàn)象嚴(yán)重。 原橋設(shè)計承載力已不能滿足交通荷載的要求，橋梁出現(xiàn)了不同程度的損傷，存在安全隱患。 為此，2014 年對該橋梁進行了維修加固，加固的主要內(nèi)容有：對拱肋上緣、下緣粘貼鋼板；對斜撐節(jié)點、橫系桿和原拱肋連續(xù)系桿等部位粘貼鋼套箍加固；上弦桿底、橫梁及挑梁底部相應(yīng)位置粘貼鋼板加固；更換伸縮縫等。

加固后，經(jīng)過幾年運營，目前橋梁病害依然嚴(yán)重。 其中，上部結(jié)構(gòu)的主要病害有拱片開裂、破損、露筋、銹蝕、蜂窩麻面、橋面板開裂等，典型病害如圖1 所示。 現(xiàn)場檢測中，按照重要部件最差缺損狀況評定方法，該橋技術(shù)狀況評定為3 類。 為能夠準(zhǔn)確評定該橋?qū)嶋H承載能力， 在技術(shù)狀況評定的基礎(chǔ)上對橋梁進行了荷載試驗。

圖1 橋梁典型病害

3 橋梁靜載試驗

3.1 靜載試驗方案確定

1）靜載試驗效率系數(shù)。 靜載試驗效率系數(shù)是指橋梁的特定控制截面試驗荷載效應(yīng)與設(shè)計控制值之比值， 對于既有橋梁取值一般在0.95～1.05[2]。 試驗荷載選定原設(shè)計荷載，采用等效加載的方式進行加載， 該橋的等效荷載采用重量約400 kN的三軸載重汽車4 輛，分4 個工況進行加載，加載工況及加載效率系數(shù)如表1 所示。

表1 靜載試驗加載效率表

2）測試位置及工況。 桁架拱橋靜載試驗的主要測試工況為跨中截面最大正彎矩工況和拱腳截面最大負(fù)彎矩工況，橫橋向分別按照偏載和中載的方式加載。 測試工況詳見表1，各工況的測試內(nèi)容為應(yīng)變和撓度。 試驗測試截面分別為拱頂截面和拱腳截面，測點布置如圖2 和圖3 所示。

圖2 跨中（1#）測試截面測點位置布置圖（單位：cm）

圖3 拱腳（2#）測試截面測點位置布置圖（單位：cm）

3.2 靜載試驗結(jié)果分析

現(xiàn)場試驗分4 級進行加載， 分別記錄了各工況在各級加載及卸載穩(wěn)定后橋梁控制截面的撓度和應(yīng)變。

1）撓度分析。 撓度能反映橋梁的整體受力性能，是評價主要承重結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)最重要的參數(shù)之一。 各工況作用下橋梁拱頂截面各測點撓度測試結(jié)果如表2 所示。

表2 試驗荷載各工況撓度測試結(jié)果及分析

由表2 可以看出：（1）所有測點的實測位移與相應(yīng)的理論計算值分布趨勢基本一致，無位移異常現(xiàn)象，實測位移大小及分布基本反映了相應(yīng)加載工況下主梁的變形趨勢， 測試數(shù)據(jù)有效；（2）工況一、工況二的校驗系數(shù)在0.811～0.999，接近1，說明該橋結(jié)構(gòu)抗彎剛度與設(shè)計剛度接近， 橋梁安全儲備較低；（4）工況一、工況二相對殘余撓度（殘余撓度與總撓度值的比值）最大值為8.7%，符合JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》相對殘余撓不大于20%的規(guī)定。說明該橋結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

2）應(yīng)變分析。 拱頂截面和拱腳截面的應(yīng)變測試與分析結(jié)果如表3 和表4 所示。

表3 拱頂截面應(yīng)變分析

表4 拱腳截面應(yīng)變分析

由表3 和表4 可以看出：（1）實測應(yīng)變的分布趨勢與理論計算值基本一致；（2）工況一～工況四平均應(yīng)變校驗系數(shù)分別為0.935、0.943、0.970、0.958，接近1，有2 個測點校驗系數(shù)等于1；說明桁架拱片結(jié)構(gòu)強度安全儲備不足。

4 橋梁動載試驗分析

橋梁自振頻率測點分別布置在L/4、L/2 和3L/4（L 為橋梁跨境），采用荷載激振法測試橋梁自振頻率。 該橋梁的豎向振動測試結(jié)果如表5 所示。

表5 桁架拱橋自振頻率檢測評定結(jié)果

由表5 可看出，該橋的實測自振頻率大于理論計算值，結(jié)構(gòu)能達(dá)到正常使用要求，根據(jù)文獻(xiàn)[3]，該橋自振頻率標(biāo)度可評定為1，說明橋梁工作狀況良好。

5 結(jié)語