大跨度雙曲拱橋加固與檢驗分析

譚榮生

(廣西壯族自治區寧明公路養護中心,廣西 崇左 532599)

0 引言

大跨度雙曲拱橋結構新穎美觀、施工材料節約、施工工藝簡單,可有效降低工程造價,因此在我國公路橋梁建設中得到了廣泛的應用。然而,近年來隨著汽車保有量的增加,橋梁所承受的車輛荷載不斷增加,重載車輛和超載車輛對橋梁結構產生了較大的破壞。早期修建的大跨度雙曲拱橋設計荷載標準較低,結構上也存在一定的缺陷和不足,在重載車輛的荷載作用下橋梁結構逐漸出現了一些破壞,亟須進行改造和加固。本文以某大跨度雙曲拱橋的加固施工為研究背景,結合橋梁病害調查結果,制定加固方案,并通過現場靜載試驗檢驗加固效果[1-2]。

1 大跨度雙曲拱橋加固方案

1.1 工程簡介

某大跨度雙曲拱橋采用空腹式雙曲拱橋設計,中心樁號為K45+517,全長為100 m,單孔跨徑為70 m。雙曲拱橋主拱圈由5肋4波組成,主拱肋采用變截面設計,拱軸系數為5.232。橋面凈寬為8 m,其中行車道寬度為7 m,兩側路緣帶寬度為0.5 m。該雙曲拱橋原設計荷載為汽車-13級,設計等級較低。近年來,橋梁結構出現多處病害,亟須進行維修改造。

1.2 橋梁病害調查

現場調查結果顯示,該大跨度雙曲拱橋存在以下病害:橋面局部沉降變形和路面平順度差,這是由于拱上填料含水率較高,導致作用在其上部的荷載量增加,同時承載能力下降,是橋面下沉的主要原因;局部路段橋梁兩側護欄向外推移,是由于拱腹側墻產生了明顯的外移現象,進而造成兩側護欄外移;主拱和腹拱拱圈頂部個別位置有明顯開裂現象,局部結構破壞較嚴重。另外,檢測顯示橋面防水層已經失效,導致水分滲入,進而造成拱圈及拱波滲水嚴重。

1.3 制定加固方案

橋梁加固設計以保護原橋主要結構為原則,對主要構件進行保護,以防止破壞原有的受力結構。加固構件應能與原橋構件協同作用,加固后盡快發揮作用,與原橋結構共同承受荷載[3]。以往采用粘鋼加固法加固對雙曲拱橋的承載能力提高作用不大,因此本項目采用了箱形鋼拱法進行加固。通過計算確定了橋梁承載力較差的部位,有針對性地進行補強加固,提高橋梁的承載能力;對橋梁裂縫及其他病害進行了維修加固或更換,提高橋梁結構的穩定性[4]。加固前后結構示意圖如圖1所示。加固后,橋梁荷載等級將從原來的汽車-13級、拖車-60級升級到公路-Ⅱ級。

(a)加固前

箱形鋼拱法加固選用6 mm厚16號錳鋼鋼板,分別粘貼在拱肋底部和拱肋側面,并在底部通過焊接與其他部分的鋼板形成一個整體,形成箱形鋼拱。箱形鋼拱與原拱肋形成一個整體,提高了橋梁結構的抗彎強度和抗剪強度,也有效控制了橋梁主拱和腹拱裂縫的擴展。其中,拱肋底部鋼板厚度為6 mm、拱肋側面鋼板厚度為10 mm、箱形鋼拱底部鋼板厚度為10 mm。

2 靜載試驗方案

2.1 測點布置

該大跨度雙曲拱橋加固后,對橋跨結構施加靜力荷載,分別選取最不利的截面,通過量測拱肋和拱波位置的位移和應變來分析典型截面的撓度。同時在試驗過程中檢查拱圈的裂縫變化情況,觀察有無新裂紋產生,分析裂縫有無發展的情況,確定分布規律。

根據大跨度雙曲拱橋的受力特點,分別在主拱肋的各部位設置測試截面,并在各測試截面的拱肋和拱波處布置應力和位移測點。主拱肋測試截面的布置如圖2所示。

圖2 工況一:單側拱腳截面處正彎矩最不利位置縱向加載示意圖(cm)

圖2 主拱肋測試截面布置示意圖

圖3 工況二:單側拱腳截面處負彎矩最不利位置縱向加載示意圖(cm)

圖4 工況三:跨中截面處的正彎矩最不利位置縱向加載示意圖(cm)

2.2 試驗儀器設備

靜載試驗所使用的檢測儀器包括應變儀1套、全站儀1套、刻度放大鏡2只、塞尺2只、鋼鉉式應變計20只、反光板15個和鋼卷尺一把。試驗加載車輛共4輛,車輛主要參數如表1所示。

表1 試驗加載車輛主要參數統計表

2.3 試驗工況及加載方案

本試驗分別選擇單側拱腳截面處正彎矩和負彎矩最不利位置、跨中截面處的正彎矩最不利位置,沿橋梁縱向布載,分三種工況分別進行加載[5],三種工況加載示意圖如圖2～4所示。

3 靜載試驗結果分析

3.1 撓度檢測結果分析

分別在各加載工況下對各測點撓度進行檢測,統計三個工況下各測點撓度實測結果和計算結果平均值如表2所示。

經過分析表2所示的數據,可知各工況下三個截面各測點撓度實測結果平均值均小于計算結果平均值,并且校驗系數均分布在0.60～0.78,滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG T J21-2011)中規定的雙曲拱橋位移校驗系數應分布在0.6～1.0的要求。結合各測點的檢測結果,三個工況下各測點的撓度實測值均小于設計值,且校驗系數均分布在0.6～1.0,說明加固后該大跨度雙曲拱橋撓度變形在規定范圍之內,橋梁荷載-變形性能較好,能夠滿足公路-Ⅱ級荷載的通行要求[6]。

3.2 應力檢測結果分析

在靜載試驗過程中,分別測定各測點的應力值,統計三個工況下各測點應力實測結果和計算結果平均值,如下頁表3所示。

表3 各工況下各測點應力實測結果與計算結果統計表

分析表3的應力和應變檢測結果可以得出,應力實測結果均值均小于計算結果均值,校驗系數分布在0.68～0.82,滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG T J21-2011)中規定的雙曲拱橋應力校驗系數應分布在0.6～1.0的要求。結合各測點應力、應變檢測結果,應力實測值均小于計算值,且應力校驗系數均分布在0.6～1.0,說明在三個工況加載下,橋梁結構均處于正常工作范圍內,達到公路-Ⅱ級荷載的設計要求,加固方案達到了預期的加固效果。

4 結語

本研究以大跨度雙曲拱橋加固案例為研究對象,根據橋梁結構調查結果制定加固方案,采用箱形鋼拱法加固后進行靜載試驗以檢驗加固效果,分析試驗結果得出以下結論:

(1)加固后各工況下撓度實測值均小于計算值,且校驗系數分布在0.60～0.78,說明加固后該大跨度雙曲拱橋位移變形達到了公路-Ⅱ級荷載設計要求,橋梁荷載-變形性能較好。

(2)加固后各工況下應力實測值也小于計算值,且校驗系數分布在0.68～0.82,說明在各工況加載下橋梁結構均處于正常的工作狀態,滿足公路-Ⅱ級荷載的設計要求。因此,該加固方案是合理可行的。