噴射混凝土加固石拱橋荷載試驗成果研究

夏川 魏超

摘要 隨著車輛不斷增量增重，空腹式石拱橋損傷愈來愈嚴重，采用噴射混凝土對主拱圈進行處治，加固后的效果需進行評價。通過加固前后橋梁荷載試驗，文章采用有限元建模分析，在試驗荷載與設計荷載等效情況下，對比靜態(tài)應變、撓度、沖擊系數(shù)以及基頻等荷載參數(shù)，能直接反映橋梁加固后的效果。對于今后采用噴射混凝土加固的石拱橋提供了參考。

關(guān)鍵詞 加固石拱橋；應變撓度；基頻；荷載試驗；評價

中圖分類號 U445.72 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0056-04

0 引言

石拱橋是一種古老的橋梁結(jié)構(gòu)形式，就地取材方便，該結(jié)構(gòu)形式一直使用至今。石料長時間風化，交通量不斷增加，荷載不斷提升，導致石拱橋損傷嚴重，加固改造迫在眉睫。石拱橋承載力不夠，加固方法主要有增大截面、粘貼鋼板、調(diào)整結(jié)構(gòu)體系、增加體外預應力、鋼套箍加固，其中增大截面是最常見的加固方法之一^[1]。現(xiàn)澆混凝土加固往往容易在加固區(qū)出現(xiàn)混凝土不密實現(xiàn)象，因不易養(yǎng)護而產(chǎn)生裂縫，采用噴射混凝土加固方法有效解決了這一問題的產(chǎn)生。

該文依托某市一座加固拱橋，通過荷載試驗檢測結(jié)果，驗證了采用噴射混凝土加固方法能有效提高拱橋的承載能力，研究成果可為今后拱橋加固處治提供借鑒。

1 工程概況

腰灘子橋位于某市境內(nèi)，橋梁全長58.62 m，寬16.8 m，行車道凈寬16 m，橋梁設計荷載為公路－Ⅱ級，該橋于2006年建成通車。

上部結(jié)構(gòu)：1×35 m空腹式石板拱橋，凈跨徑為35 m，凈矢高為8.8 m，凈矢跨比為1/4，主拱圈寬度為16.6 m，主拱圈厚度為1 m。下部結(jié)構(gòu)：重力式橋臺，擴大基礎(chǔ)。橋面系：瀝青混凝土鋪裝，C30混凝土防撞護欄。

在2016年通過現(xiàn)場對該橋主拱圈、拱上側(cè)墻、橋臺、橋面以及基礎(chǔ)等全面檢查，發(fā)現(xiàn)主要病害為主拱圈存在較多超限裂縫。根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTG/T H21—2011） 要求對該橋技術(shù)狀況評定等級為四類，參考《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG H11—2004）的規(guī)定對全橋進行交通管制，對主拱圈裂縫進行加固處治^[2]。

維修加固處治方案：原主拱圈拱背（空腹段）和拱腹各加鋪（拱腹采用噴射）20 cm、15 cm厚的鋼筋混凝土增大拱圈截面積，腹拱圈拱腹采用噴射15 cm厚鋼筋混凝土加固，新建鋼筋混凝土護欄等。

2 試驗內(nèi)容

橋梁荷載試驗包括靜載試驗和動載試驗，通過靜動載試驗了解橋梁結(jié)構(gòu)的實際受力狀況和工作狀態(tài)，評定其是否滿足設計荷載等級的要求。

2.1 靜載試驗

2.1.1 加載工況及控制截面

根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合理論計算結(jié)果和現(xiàn)場檢測條件，確定該次荷載試驗的加載工況及控制截面。控制截面的選取如圖1所示，試驗加載工況設置如表1所示。

2.1.2 應變測點布置

該次應變測試截面布置如圖2所示，應變測試方式采用在表面粘貼應變片，采用靜態(tài)信號測試分析系統(tǒng)進行測量。

2.1.3 撓度測點布置

該次撓度測點布置于橋面，按支點、L/4、L/2、3L/4、支點位置縱向布置，橫向布置兩條測線。

2.1.4 裂縫觀測

荷載試驗過程中，對橋梁外觀檢測存在裂縫的構(gòu)件進行監(jiān)測，監(jiān)測荷載試驗過程中裂縫變化情況，并監(jiān)測控制截面附近是否有裂縫產(chǎn)生，通過已有裂縫的發(fā)展情況及是否有新裂縫產(chǎn)生來判斷結(jié)構(gòu)的抗裂性能^[3]。

2.2 動載試驗

動載試驗通過脈動試驗及行車試驗，測定橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和結(jié)構(gòu)的動力響應^[3]。

2.2.1 行車試驗

行車試驗主要分為無障礙行車試驗、有障礙行車試驗、制動試驗。該橋無障礙行車試驗采用一輛載重汽車（單車重約400 kN）分別以20 km/h、30 km/h的速度往返通過橋跨結(jié)構(gòu)，測定橋梁在橋面鋪裝層完好時運行車輛荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)的動載響應和沖擊系數(shù)；有障礙行車試驗采用一輛載重汽車（單車重約400 kN）分別以10 km/h、20 km/h的速度往返通過橋跨結(jié)構(gòu)，模擬在橋面鋪裝局部損傷的情況下，橋跨結(jié)構(gòu)在運行車輛荷載作用下的動載響應和沖擊系數(shù)；制動試驗采用一輛載重汽車分別以10 km/h、20 km/h的速度通過橋跨結(jié)構(gòu)，在橋梁跨中截面處進行剎車制動，測試橋梁結(jié)構(gòu)在汽車制動力下的振動響應。

2.2.2 脈動試驗

脈動試驗用于測定橋跨結(jié)構(gòu)固有振動特性，包括頻率、阻尼比和振型。

3 有限元模型分析

該橋計算采用有限元軟件Midas Civil建立有限元模型，進行恒載計算及活載分析，原主拱圈石料為MU40粗料石，砌縫為M7.5水泥砂漿，加固區(qū)采用C30混凝土。采用施工聯(lián)合截面模擬拱圈加固過程，有限元模型共離散劃分為405個節(jié)點，540個單元。有限元模型如圖3所示。

通過計算在設計荷載作用下的控制截面內(nèi)力，采用荷載等效方法，通過內(nèi)力影響線加載方式，保證控制截面的荷載效率系數(shù)在0.95～1.05范圍內(nèi)，確定合適的載重汽車重量、數(shù)量以及具體的加載位置。該次加載車采用3輛40 t，荷載試驗加載效率系數(shù)如表2所示。

4 測試結(jié)果

4.1 靜載試驗測試結(jié)果

腰灘子橋在各工況作用下控制截面應變測試結(jié)果如表3所示。

腰灘子橋在各工況作用下控制截面撓度測試結(jié)果如表4所示。

4.2 動載試驗測試結(jié)果

4.2.1 行車試驗

行車試驗測定結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的沖擊系數(shù)測試結(jié)果，如表5所示。

4.2.2 脈動試驗

腰灘子橋的頻率計算值與實測值如表6所示。實測振型圖及頻譜分析圖如圖4所示。

5 結(jié)果分析

（1）靜載試驗不同加載工況作用下，A-A截面（拱腳）各測點的應變校驗系數(shù)在0.30～0.58之間，B-B截面（跨中）各測點的應變校驗系數(shù)在0.43～0.58之間；B-B截面各測點的撓度校驗系數(shù)在0.53～0.57之間。各測點校驗系數(shù)均小于1，相對殘余均小于20%，滿足要求，表明結(jié)構(gòu)在試驗荷載下處于良好的彈性工作狀態(tài)^[4]。

（2）無障礙行車下沖擊系數(shù)為1.01～1.02，小于理論計算值1.31，有障礙行車下沖擊系數(shù)為1.371～1.494，制動試驗下沖擊系數(shù)為1.153～1.201。無障礙行車試驗、有障礙行車以及制動試驗結(jié)果表明：橋梁測試截面跳車沖擊系數(shù)比跑車沖擊系數(shù)大，表明橋面鋪裝破損對橋跨結(jié)構(gòu)的動力放大效應較明顯。

（3）脈動試驗結(jié)果表明：橋梁的實測基頻（10.742 Hz）大于理論計算基頻（6.34 Hz），表明橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設計要求，各階實測自振頻率和振型與理論計算結(jié)果一致性相符，說明被測橋梁的實際振動特性與設計計算理論相符。

（4）在整個試驗過程中，未發(fā)現(xiàn)可見裂縫。

（5）加固后與加固前荷載試驗數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果如下：

①靜載試驗數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果。根據(jù)2016年對腰灘子橋（加固前）荷載試驗檢測結(jié)果：采用3輛35 t的加載車進行荷載試驗，拱腳理論應變?yōu)?6 με，實測應變39 με；拱頂理論應變?yōu)?1～100 με，實測應變33～42 με，拱頂理論撓度為1.07～4.20 mm，實測撓度為0.58～2.42 mm。

該次荷載試驗（加固后）采用3輛40 t的加載車進行荷載試驗，拱腳理論應變?yōu)?～12 με，實測應變3～8 με；拱頂理論應變?yōu)?～23 με，實測應變4～15 με，拱頂理論撓度為0.93 mm，實測撓度為0.49～0.53 mm。

根據(jù)加固后與加固前的靜載試驗數(shù)據(jù)分析，加固后的應變和撓度均比加固前小，表明腰灘子橋加固后的整體剛度比加固前增大。

②動載試驗數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果。加固前無障礙行車下沖擊系數(shù)為1.06～1.11，有障礙行車下沖擊系數(shù)為1.44～1.52，制動試驗下沖擊系數(shù)為1.31～1.46。

加固后無障礙行車下沖擊系數(shù)為1.010～1.020，有障礙行車下沖擊系數(shù)為1.371～1.494，制動試驗下沖擊系數(shù)為1.153～1.201。

加固前實測基頻3.970 Hz，加固后實測基頻10.742 Hz。

根據(jù)加固后與加固前的動載試驗數(shù)據(jù)分析，加固后的沖擊系數(shù)小于加固前沖擊系數(shù)，表明加固后比加固前車輛對橋梁結(jié)構(gòu)振動作用減小，對橋梁的沖擊作用減小；加固后的實測基頻大于加固前實測基頻，表明腰灘子橋的剛度加固后比加固前增大。

6 結(jié)論

（1）采用噴射混凝土加固，可以解決因養(yǎng)護不到位而產(chǎn)生的混凝土裂縫問題。

（2）采用噴射混凝土加固，橋梁剛度加固后比加固前增大，車輛對橋梁沖擊作用減小，耐久性提高，行車舒適度提高。

（3）采用噴射混凝土加固，橋梁承載能力、結(jié)構(gòu)剛度、動態(tài)特性等各項主要技術(shù)性能提高，滿足設計要求。

參考文獻

[1]賴道斌. 基于靜動載試驗的某石拱橋套拱加固效果分析[J]. 福建交通科技， 2022（5）： 72-74+81.

[2]熊志朋， 張林鵬. 某石拱橋技術(shù)鑒定及加固后效果評價[J]. 北方交通， 2018（2）： 9-12.

[3]夏靖. 連續(xù)剛構(gòu)橋荷載試驗研究[J]. 四川建筑， 2023（4）： 180-182.

[4]公路橋梁荷載試驗規(guī)程： JTG/T J21-01—2015[S]. 北京： 人民交通出版社， 2016.

收稿日期：2023-12-21

作者簡介：夏川（1987—），男，本科，工程師，從事橋梁檢測工作。

通信作者：魏超（1987—），男，本科，工程師，從事道路橋梁檢測工作。