雙曲拱橋加固前后荷載試驗對比分析
2015-06-18
1 工程概況及病害描述
該雙曲拱橋為3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)計拱軸系數(shù)m=3.5，設(shè)計荷載等級為汽-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，橋墩為沉井基礎(chǔ)，均砌置在砂礫石基礎(chǔ)上。
于2008年11月進行了結(jié)構(gòu)檢測，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，出現(xiàn)大面積滲水；
橋面不平整，瀝青混凝土表面處理老化，車輛直接作用在外露的碎石面層上。
2 加固設(shè)計
原橋設(shè)計荷載接近89規(guī)范中的汽-15，掛-80級荷載，在有限元模型中按照此荷載等級對原橋結(jié)構(gòu)進行驗算，結(jié)果表明主拱肋拱腳截面承載能力不能滿足規(guī)范要求。為了改善結(jié)構(gòu)受力性能，提高橋梁承載能力，對該橋進行了加固設(shè)計，本次加固設(shè)計的主要思路為：基于本橋已開展的調(diào)查及評估分析成果與結(jié)論，在不改變原有結(jié)構(gòu)受力體系的情況下，首先對主拱及腹拱主要受力體系中已產(chǎn)生的損傷與缺陷進行維修與補強，增強結(jié)構(gòu)受力的整體性，防止主要受力材料進一步劣化，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，空隙率高，首先對砌縫采取壓漿處理，以使砌縫飽滿；
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、對檢測中發(fā)現(xiàn)的各類裂縫進行密封和修補處理；
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行加固補強，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，實腹段僅對拱肋進行套箍加固，對所有橫系梁下緣加厚40cm，兩側(cè)加厚10cm；
5、對腹拱拱圈采用U型套箍混凝土進行加固補強，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
3.1 靜載試驗
3.1.1 荷載效率
原橋設(shè)計荷載為汽-13，拖-60，本次試驗按照89規(guī)范中荷載較為接近的汽-15作為控制荷載，考慮到本橋運營時間較長，損傷較多，試驗荷載效率控制在規(guī)范規(guī)定范圍的下限值。經(jīng)過計算分析，本次試驗選取拱腳及拱頂兩個內(nèi)力控制截面共五個試驗工況（包含偏載工況），試驗車輛選取30T重雙橋車。
3.1.2 測試截面及測點布置
應(yīng)力測試截面為拱腳及拱頂截面，撓度測試截面為跨中截面。
3.1.3 撓度測試結(jié)果
測試截面各測點在試驗荷載作用下的實測撓度與理論值比較見表3-2。表中的撓度值以向下為正，向上為負，梁的編號從下游側(cè)開始，撓度單位為mm。拱頂控制截面在各中載工況下，各測點實測撓度值均小于理論值，撓度校驗系數(shù)在0.74～0.89之間，處于拱橋結(jié)構(gòu)撓度校驗系數(shù)的正常范圍，表明其剛度滿足設(shè)計要求。從表中數(shù)據(jù)可以看出，橫向增大系數(shù)較大，說明該橋橫向聯(lián)系較差，整體性不好。
3.1.4 應(yīng)變測試結(jié)果
控制截面在試驗荷載作用下應(yīng)力試驗值與計算值的比較見表3-4。測量應(yīng)力計算中混凝土彈性模量按照設(shè)計混凝土250#進行計取，即E＝2.8×104MPa。表中數(shù)據(jù)以受壓為負，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)力校驗系數(shù)在0.41～0.95之間，處于拱橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗系數(shù)的正常范圍,表明其強度滿足設(shè)計要求。
3.2 動載試驗
動載試驗主要包括：（1）脈動試驗：橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性測試，采用環(huán)境激勵法進行測試；（2）跑車試驗：采用一輛載重300kN的試驗車作為動力試驗荷載，試驗汽車分別以5km/h、 10km/h、20km/h、30km/h、 40km/h的速度無障礙勻速過橋激振。實測頻率低于理論頻率，說明橋梁實際剛度略小于計算模型。
不同車速下跨中截面的行車沖擊系數(shù)見表3-6。按照文獻[1]中規(guī)定，沖擊系數(shù)（1+μ）理論值為1.26。從試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以看出，跨中截面行車沖擊系數(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
4.1 靜載試驗
4.1.1 荷載效率
加固后設(shè)計荷載等級為：公路-I級，人群3.0kN/m2，橋面凈寬：凈-10米行車道+2×1.25（人行道+欄桿），主拱圈寬度為10.05m。經(jīng)過計算分析，本次試驗選取拱腳截面、L/4截面和拱頂截面作為內(nèi)力控制截面，共六個試驗工況（包含偏載工況），試驗車輛選取42T重雙橋車。
4.1.2 測試截面及測點布置
應(yīng)力測試截面為拱腳截面、L/4截面及拱頂截面，撓度測試截面為跨中截面。
4.1.3 撓度測試結(jié)果
測試截面各測點在試驗荷載作用下的實測撓度與理論值比較見表4-2。表中的撓度值以向下為正，向上為負，梁的編號從下游側(cè)開始，撓度單位為mm。拱頂控制截面在各中載工況下，各測點實測撓度值均小于理論值，撓度校驗系數(shù)在0.84～0.89之間，處于拱橋結(jié)構(gòu)撓度校驗系數(shù)的正常范圍，表明其剛度滿足設(shè)計要求。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)過重復(fù)工況后，兩次測量數(shù)據(jù)較吻合。試驗前后對L/4及跨中各選取三條裂縫進行監(jiān)控，均未發(fā)現(xiàn)裂縫有擴展現(xiàn)象。試驗荷載卸載后結(jié)構(gòu)無明顯殘余變形，表明結(jié)構(gòu)在試驗荷載下處于彈性工作狀態(tài)。
4.1.4 應(yīng)變測試結(jié)果
控制截面在試驗荷載作用下應(yīng)變試驗值與計算值的比較見表4-4。表中數(shù)據(jù)以受壓為負，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)力校驗系數(shù)在0.43～0.96之間，處于拱橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗系數(shù)的正常范圍,表明其強度滿足設(shè)計要求。
4.2 動載試驗
實測頻率大于理論頻率，說明橋梁實際剛度大于計算模型。
不同車速下跨中截面的行車沖擊系數(shù)見表4-6。按照文獻[1]中規(guī)定，沖擊系數(shù)（1+μ）理論值為1.27。從試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以看出，跨中截面行車沖擊系數(shù)最大數(shù)值為1.27，與理論值一致。
5 結(jié)論
由靜載試驗結(jié)果可知：撓度及應(yīng)變實測值均小于理論計算值，加固后結(jié)構(gòu)的強度和剛度均能滿足公路-I級荷載的要求，達到了加固設(shè)計的預(yù)期目標，加固后實測結(jié)果的橫向增大系數(shù)從1.62減小至1.38，說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。由動載試驗數(shù)據(jù)可知：加固后橋梁的自振頻率大于加固前，說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，加固后的橋梁滿足公路-I級荷載作用下的正常使用要求。
