雙曲拱橋加固前后荷載試驗(yàn)對(duì)比分析
2015-06-18
1 工程概況及病害描述
該雙曲拱橋?yàn)?孔凈跨徑L0=40m的空腹式懸鏈線鋼筋混凝土雙曲拱橋，凈矢跨比為f0/L0=1/8，設(shè)計(jì)拱軸系數(shù)m=3.5，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-13，拖-60。橋面總寬7.0m，主拱圈寬度為10.05m，由7片C25鋼筋混凝土拱肋和6個(gè)拱波組成，每片拱肋間設(shè)有10根15×25cm鋼筋混凝土橫系桿（1994年另加焊有4根角鋼進(jìn)行抗震加固），主拱圈厚度為1.15m，下部結(jié)構(gòu)為片石混凝土重力式橋臺(tái)，橋墩為沉井基礎(chǔ)，均砌置在砂礫石基礎(chǔ)上。
于2008年11月進(jìn)行了結(jié)構(gòu)檢測(cè)，主要病害情況如下：
全橋拱肋、拱波等主拱圈出現(xiàn)多處裂縫；
拱肋局部混凝土脫落，箍筋及主筋外露且銹蝕嚴(yán)重；
部分橫系梁與主拱肋接頭處混凝土破碎，部分橫系梁傾斜，全橋1994年加固的角鋼均出現(xiàn)嚴(yán)重的銹蝕，部分角鋼銹蝕斷裂；
腹拱圈存在大量橫向裂縫，大部分腹拱圈砌縫不飽滿(mǎn)，出現(xiàn)大面積滲水；
橋面不平整，瀝青混凝土表面處理老化，車(chē)輛直接作用在外露的碎石面層上。
2 加固設(shè)計(jì)
原橋設(shè)計(jì)荷載接近89規(guī)范中的汽-15，掛-80級(jí)荷載，在有限元模型中按照此荷載等級(jí)對(duì)原橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明主拱肋拱腳截面承載能力不能滿(mǎn)足規(guī)范要求。為了改善結(jié)構(gòu)受力性能，提高橋梁承載能力，對(duì)該橋進(jìn)行了加固設(shè)計(jì)，本次加固設(shè)計(jì)的主要思路為：基于本橋已開(kāi)展的調(diào)查及評(píng)估分析成果與結(jié)論，在不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)受力體系的情況下，首先對(duì)主拱及腹拱主要受力體系中已產(chǎn)生的損傷與缺陷進(jìn)行維修與補(bǔ)強(qiáng)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力的整體性，防止主要受力材料進(jìn)一步劣化，在此基礎(chǔ)上采取有效的加固方法提高橋梁損傷構(gòu)件的承載能力，為改善主拱的受力性能，本次維修加固采用拆除橋面鋪裝和人行道系，重新澆筑橋面鋪裝層混凝土，安裝新的人行道系。在此原則與思路下，形成以下具體的加固方法：
1、原橋腹拱圈砌體砌縫普遍不飽滿(mǎn)，空隙率高，首先對(duì)砌縫采取壓漿處理，以使砌縫飽滿(mǎn)；
2、拆除橋面鋪裝和人行道系，增設(shè)新的橫挑梁以加寬橋面，重新澆筑橋面鋪裝層混凝土，安裝新的人行道系和排水系統(tǒng)；
3、對(duì)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的各類(lèi)裂縫進(jìn)行密封和修補(bǔ)處理；
4、為了提高主拱圈的承載能力，在空腹段的主拱肋采用套箍混凝土進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，拱背加厚20cm，在拱肋下緣加厚20cm，拱肋兩側(cè)加厚15cm，其中第一腹拱段拱波空心區(qū)域填實(shí)，實(shí)腹段僅對(duì)拱肋進(jìn)行套箍加固，對(duì)所有橫系梁下緣加厚40cm，兩側(cè)加厚10cm；
5、對(duì)腹拱拱圈采用U型套箍混凝土進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，套箍層混凝土厚度為15cm；
6、鑿除原橋面鋪裝層，整治拱上填料，再放置預(yù)制的橫挑梁加寬橋面，澆筑鋼纖維混凝土鋪裝層，同時(shí)重新設(shè)置橋面排水系統(tǒng)，設(shè)置變形縫和伸縮縫。
3 加固前荷載試驗(yàn)
3.1 靜載試驗(yàn)
3.1.1 荷載效率
原橋設(shè)計(jì)荷載為汽-13，拖-60，本次試驗(yàn)按照89規(guī)范中荷載較為接近的汽-15作為控制荷載，考慮到本橋運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，損傷較多，試驗(yàn)荷載效率控制在規(guī)范規(guī)定范圍的下限值。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，本次試驗(yàn)選取拱腳及拱頂兩個(gè)內(nèi)力控制截面共五個(gè)試驗(yàn)工況（包含偏載工況），試驗(yàn)車(chē)輛選取30T重雙橋車(chē)。
3.1.2 測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置
應(yīng)力測(cè)試截面為拱腳及拱頂截面，撓度測(cè)試截面為跨中截面。
3.1.3 撓度測(cè)試結(jié)果
測(cè)試截面各測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測(cè)撓度與理論值比較見(jiàn)表3-2。表中的撓度值以向下為正，向上為負(fù)，梁的編號(hào)從下游側(cè)開(kāi)始，撓度單位為mm。拱頂控制截面在各中載工況下，各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度值均小于理論值，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.74～0.89之間，處于拱橋結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)的正常范圍，表明其剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。從表中數(shù)據(jù)可以看出，橫向增大系數(shù)較大，說(shuō)明該橋橫向聯(lián)系較差，整體性不好。
3.1.4 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果
控制截面在試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值的比較見(jiàn)表3-4。測(cè)量應(yīng)力計(jì)算中混凝土彈性模量按照設(shè)計(jì)混凝土250#進(jìn)行計(jì)取，即E＝2.8×104MPa。表中數(shù)據(jù)以受壓為負(fù)，受拉為正，單位均為MPa。表中數(shù)據(jù)可以看出，正載工況應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.41～0.95之間，處于拱橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)的正常范圍,表明其強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
3.2 動(dòng)載試驗(yàn)
動(dòng)載試驗(yàn)主要包括：（1）脈動(dòng)試驗(yàn)：橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性測(cè)試，采用環(huán)境激勵(lì)法進(jìn)行測(cè)試；（2）跑車(chē)試驗(yàn)：采用一輛載重300kN的試驗(yàn)車(chē)作為動(dòng)力試驗(yàn)荷載，試驗(yàn)汽車(chē)分別以5km/h、 10km/h、20km/h、30km/h、 40km/h的速度無(wú)障礙勻速過(guò)橋激振。實(shí)測(cè)頻率低于理論頻率，說(shuō)明橋梁實(shí)際剛度略小于計(jì)算模型。
不同車(chē)速下跨中截面的行車(chē)沖擊系數(shù)見(jiàn)表3-6。按照文獻(xiàn)[1]中規(guī)定，沖擊系數(shù)（1+μ）理論值為1.26。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以看出，跨中截面行車(chē)沖擊系數(shù)最大數(shù)值為1.21，與理論值比較接近，屬正常范圍。
4 加固后荷載試驗(yàn)
4.1 靜載試驗(yàn)
4.1.1 荷載效率
加固后設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為：公路-I級(jí)，人群3.0kN/m2，橋面凈寬：凈-10米行車(chē)道+2×1.25（人行道+欄桿），主拱圈寬度為10.05m。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，本次試驗(yàn)選取拱腳截面、L/4截面和拱頂截面作為內(nèi)力控制截面，共六個(gè)試驗(yàn)工況（包含偏載工況），試驗(yàn)車(chē)輛選取42T重雙橋車(chē)。
4.1.2 測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置
應(yīng)力測(cè)試截面為拱腳截面、L/4截面及拱頂截面，撓度測(cè)試截面為跨中截面。
4.1.3 撓度測(cè)試結(jié)果
測(cè)試截面各測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測(cè)撓度與理論值比較見(jiàn)表4-2。表中的撓度值以向下為正，向上為負(fù)，梁的編號(hào)從下游側(cè)開(kāi)始，撓度單位為mm。拱頂控制截面在各中載工況下，各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度值均小于理論值，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.84～0.89之間，處于拱橋結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)的正常范圍，表明其剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。從數(shù)據(jù)可以看出，橫向增大系數(shù)較加固前有所減小，說(shuō)明所采取的加固方法提高了橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能。經(jīng)過(guò)重復(fù)工況后，兩次測(cè)量數(shù)據(jù)較吻合。試驗(yàn)前后對(duì)L/4及跨中各選取三條裂縫進(jìn)行監(jiān)控，均未發(fā)現(xiàn)裂縫有擴(kuò)展現(xiàn)象。試驗(yàn)荷載卸載后結(jié)構(gòu)無(wú)明顯殘余變形，表明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載下處于彈性工作狀態(tài)。
4.1.4 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果
控制截面在試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)變?cè)囼?yàn)值與計(jì)算值的比較見(jiàn)表4-4。表中數(shù)據(jù)以受壓為負(fù)，受拉為正，單位均為με。表中數(shù)據(jù)可以看出，正載工況應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.43～0.96之間，處于拱橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)的正常范圍,表明其強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
4.2 動(dòng)載試驗(yàn)
實(shí)測(cè)頻率大于理論頻率，說(shuō)明橋梁實(shí)際剛度大于計(jì)算模型。
不同車(chē)速下跨中截面的行車(chē)沖擊系數(shù)見(jiàn)表4-6。按照文獻(xiàn)[1]中規(guī)定，沖擊系數(shù)（1+μ）理論值為1.27。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以看出，跨中截面行車(chē)沖擊系數(shù)最大數(shù)值為1.27，與理論值一致。
5 結(jié)論
由靜載試驗(yàn)結(jié)果可知：撓度及應(yīng)變實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，加固后結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均能滿(mǎn)足公路-I級(jí)荷載的要求，達(dá)到了加固設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，加固后實(shí)測(cè)結(jié)果的橫向增大系數(shù)從1.62減小至1.38，說(shuō)明采取的加固方法能夠有效改善橋梁的橫向性能，提高了結(jié)構(gòu)的整體性。由動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：加固后橋梁的自振頻率大于加固前，說(shuō)明加固措施提高了橋梁剛度。綜合分析可知：該橋梁加固效果明顯，加固后的橋梁滿(mǎn)足公路-I級(jí)荷載作用下的正常使用要求。
