基于荷載試驗(yàn)的既有大跨徑桁架拱橋加固后承載能力評(píng)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(jiǎn)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(jiǎn)便、造價(jià)低廉并適合在軟土地基上修建等特點(diǎn)，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(qiáng)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(shí)際參與檢測(cè)的甘肅省境內(nèi)某大跨徑桁架拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過對(duì)橋梁的內(nèi)力分析及現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)， 研究了既有加固后桁架拱橋內(nèi)力及變形性能，評(píng)價(jià)了橋梁的整體承載性能，為該橋梁今后運(yùn)營(yíng)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(jì)荷載等級(jí)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(jì)。 隨著該地區(qū)經(jīng)濟(jì)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(jì)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(duì)該橋梁進(jìn)行了維修加固，加固的主要內(nèi)容有：對(duì)拱肋上緣、下緣粘貼鋼板；對(duì)斜撐節(jié)點(diǎn)、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(yùn)營(yíng)，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(chǎng)檢測(cè)中，按照重要部件最差缺損狀況評(píng)定方法，該橋技術(shù)狀況評(píng)定為3 類。 為能夠準(zhǔn)確評(píng)定該橋?qū)嶋H承載能力， 在技術(shù)狀況評(píng)定的基礎(chǔ)上對(duì)橋梁進(jìn)行了荷載試驗(yàn)。

圖1 橋梁典型病害

3 橋梁靜載試驗(yàn)

3.1 靜載試驗(yàn)方案確定

1）靜載試驗(yàn)效率系數(shù)。 靜載試驗(yàn)效率系數(shù)是指橋梁的特定控制截面試驗(yàn)荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)控制值之比值， 對(duì)于既有橋梁取值一般在0.95～1.05[2]。 試驗(yàn)荷載選定原設(shè)計(jì)荷載，采用等效加載的方式進(jìn)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(gè)工況進(jìn)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(yàn)加載效率表

2）測(cè)試位置及工況。 桁架拱橋靜載試驗(yàn)的主要測(cè)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(cè)試工況詳見表1，各工況的測(cè)試內(nèi)容為應(yīng)變和撓度。 試驗(yàn)測(cè)試截面分別為拱頂截面和拱腳截面，測(cè)點(diǎn)布置如圖2 和圖3 所示。

圖2 跨中（1#）測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)位置布置圖（單位：cm）

圖3 拱腳（2#）測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)位置布置圖（單位：cm）

3.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分4 級(jí)進(jìn)行加載， 分別記錄了各工況在各級(jí)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(píng)價(jià)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(cè)點(diǎn)撓度測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 試驗(yàn)荷載各工況撓度測(cè)試結(jié)果及分析

由表2 可以看出：（1）所有測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)位移與相應(yīng)的理論計(jì)算值分布趨勢(shì)基本一致，無位移異常現(xiàn)象，實(shí)測(cè)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(shì)， 測(cè)試數(shù)據(jù)有效；（2）工況一、工況二的校驗(yàn)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(jì)剛度接近， 橋梁安全儲(chǔ)備較低；（4）工況一、工況二相對(duì)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(yàn)規(guī)程》相對(duì)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(cè)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(shí)測(cè)應(yīng)變的分布趨勢(shì)與理論計(jì)算值基本一致；（2）工況一～工況四平均應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分別為0.935、0.943、0.970、0.958，接近1，有2 個(gè)測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)等于1；說明桁架拱片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全儲(chǔ)備不足。

4 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)分析

橋梁自振頻率測(cè)點(diǎn)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(cè)試橋梁自振頻率。 該橋梁的豎向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如表5 所示。

表5 桁架拱橋自振頻率檢測(cè)評(píng)定結(jié)果

由表5 可看出，該橋的實(shí)測(cè)自振頻率大于理論計(jì)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(píng)定為1，說明橋梁工作狀況良好。

5 結(jié)語