東關(guān)雙曲拱橋典型病害分析及荷載試驗(yàn)研究

■盧益平

（南平市公路局直屬分局，南平　353000）

東關(guān)雙曲拱橋典型病害分析及荷載試驗(yàn)研究

■盧益平

（南平市公路局直屬分局，南平353000）

作為我國(guó)早期常見(jiàn)的公路橋型——雙曲拱橋，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)，已不同程度地出現(xiàn)了許多病害。本文結(jié)合邵武地區(qū)富下線公路50m跨徑雙曲拱橋——東關(guān)大橋，討論了該橋的典型病害及成因分析，并給出了相應(yīng)的維修加固建議方案。通過(guò)荷載試驗(yàn)及理論計(jì)算表明，該橋在靜載作用下橋梁主要控制截面的撓度和應(yīng)變均滿(mǎn)足規(guī)程要求，橋梁滿(mǎn)足設(shè)計(jì)荷載通行等級(jí)要求。

雙曲拱橋典型病害成因分析荷載試驗(yàn)

0　前言

雙曲拱橋是我國(guó)廣泛應(yīng)用的一種公路橋型，在20世紀(jì)60、70年底大量修建，它是在石拱橋的基礎(chǔ)上吸取了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)而創(chuàng)造出的新穎結(jié)構(gòu)形式，對(duì)當(dāng)時(shí)的交通發(fā)展起到了良好的推動(dòng)作用。但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，交通運(yùn)輸量大幅度提高，公路形成密度急劇增大，車(chē)輛載重顯著增大。現(xiàn)存雙曲拱橋中大部分已經(jīng)不能滿(mǎn)足使用上的要求。其中有的是由于在長(zhǎng)期使用中已經(jīng)發(fā)生老化、出現(xiàn)種種病害，嚴(yán)重影響了承載能力；也有一些是由于以往設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)今荷載等級(jí)提高的需要，出現(xiàn)了不同程度的病害，甚至危及行車(chē)安全。因此對(duì)現(xiàn)有的雙曲拱橋進(jìn)行了病害的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及分析，通過(guò)靜載試驗(yàn)驗(yàn)證橋梁的承載安全性就顯得十分必要。

本文以東關(guān)大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)既有鋼筋混凝土雙曲拱橋的典型病害及病害成因進(jìn)行分析，并結(jié)合雙曲拱橋自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了相應(yīng)的荷載試驗(yàn)，檢驗(yàn)該橋的結(jié)構(gòu)安全性能。

1　工程概況

東關(guān)大橋位于邵武地區(qū)富下線公路K233+700處，于1982年5月建成，該橋?yàn)?跨50m雙曲拱橋+4跨10m板拱，跨越富屯溪。橋梁全長(zhǎng)346.9m，橋面總寬12m，行車(chē)道寬9m，設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-20級(jí)，掛車(chē)-100。該橋橫向由7片鋼筋混凝土拱肋和混凝土拱波組成，拱肋由橫系梁連接。該橋?yàn)橹本€橋，設(shè)計(jì)橫坡2%，橋面采用水泥混凝土。上部構(gòu)造主跨為5×50m鋼筋混凝土雙曲拱，下部構(gòu)造為實(shí)體橋墩、石砌U型橋臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋梁布置如圖1所示。

圖1　東關(guān)大橋布置示意圖

2　典型病害及成因

2.1典型病害調(diào)查

東關(guān)大橋上部結(jié)構(gòu)典型病害表現(xiàn)為多處腹拱滲水，多處拱肋大面積滲水，多處拱波出現(xiàn)縱向裂縫。第一跨出現(xiàn)拱肋滲水泛白8處，拱波裂縫1處；第二跨出現(xiàn)拱肋滲水泛白6處，拱波裂縫2處，腹拱立柱滲水1處；第三跨出現(xiàn)拱肋滲水泛白4處，腹拱滲水2處，拱波縱向裂縫2處；第四跨出現(xiàn)拱肋滲水泛白3處，腹拱滲水1處，拱波裂縫2處；第五跨出現(xiàn)拱肋滲水2處，腹拱滲水1處，如下圖2所示。拱波裂縫多為縱向貫通單片拱波，寬度在0.2mm左右。

2.2病害成因分析

（1）多處拱肋出現(xiàn)滲水泛白，主要原因是拱波與拱肋間砌縫擴(kuò)展而導(dǎo)致滲水現(xiàn)象，說(shuō)明拱肋與拱波交界處出現(xiàn)順跨徑方向的水平向裂縫。形成原因主要為施工過(guò)程質(zhì)量控制不夠嚴(yán)格，或拱圈剛度不足，拱波、拱肋間結(jié)合面薄弱，受力不均衡造成。

圖2典型病害圖示

（2）多處拱波出現(xiàn)縱向裂縫，該病害是雙曲拱橋最常見(jiàn)的病害。其主要原因有：①拱波偏薄，鋼筋保護(hù)層不足；②建設(shè)時(shí)鋼材用量不足，拱波配筋少，有的拱波配置的鋼筋網(wǎng)鋼筋間距過(guò)大；③橫向聯(lián)系相對(duì)比較薄弱，橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)荷載實(shí)際橫向分布不均勻，在拱波受荷載作用時(shí)，各片拱肋豎向位移不一致，使得拱波受力不均；且雙曲拱橋拱頂處最為薄弱，從而產(chǎn)生縱向裂縫；④橋梁長(zhǎng)期超流量車(chē)輛通行，則會(huì)加劇該類(lèi)病害的發(fā)展。

（3）腹拱出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，原因在于結(jié)構(gòu)防水層由于多年的運(yùn)營(yíng)使用遭到一定的損壞而失效。橋面鋪裝開(kāi)裂較為明顯，且排水系統(tǒng)普遍存在堵塞現(xiàn)象，說(shuō)明橋梁的日常養(yǎng)護(hù)工作不夠到位。

3　靜載試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)工況及測(cè)點(diǎn)布置

該橋主橋?yàn)槲蹇坠皹颍瑯蚩赚F(xiàn)狀無(wú)明顯差別，選擇第一跨進(jìn)行荷載試驗(yàn)。大跨度拱橋主要考慮拱頂、拱腳和1/4拱位置截面，因此選取四種荷載狀態(tài)下的組合，共八個(gè)工況，分別為：狀態(tài)一，拱頂最大正彎矩（中載、偏載）；狀態(tài)二，拱腳最大正彎矩 （中載、偏載）；狀態(tài)三，拱腳最大負(fù)彎矩 （中載、偏載）；狀態(tài)四，1/4拱最大正彎矩 （中載、偏載）。

測(cè)點(diǎn)布置方案：在橋面左右兩側(cè)布置九個(gè)撓度觀測(cè)點(diǎn)，以及主要截面位置的7片拱肋底部布置縱向應(yīng)變片，如圖3所示。

3.2試驗(yàn)車(chē)輛及荷載效率

根據(jù)該橋設(shè)計(jì)要求，通行荷載標(biāo)準(zhǔn)取為汽車(chē)-20級(jí)、掛車(chē)100，以及人群荷載 （3.5kN/m2），分別按控制截面彎矩最不利位置布載，確定控制截面的設(shè)計(jì)控制內(nèi)力。通過(guò)建立該橋的三維有限元模型 （如圖4所示），按照最大影響線加載的方法，以及按控制截面內(nèi)力等效原則進(jìn)行加載，并使控制截面試驗(yàn)荷載效率滿(mǎn)足規(guī)程要求 （如表2所示）。本橋采用2臺(tái)38t三軸重車(chē)進(jìn)行等效布載 （如表1所示）。正式加載試驗(yàn)之前，每臺(tái)車(chē)輛分別過(guò)磅稱(chēng)重，確保滿(mǎn)足荷載試驗(yàn)要求。

圖3　測(cè)點(diǎn)布置位置示意圖

表1　加載車(chē)輛技術(shù)參數(shù)列表

表2　靜載試驗(yàn)荷載效率列表

圖4　東關(guān)大橋有限元模型

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）荷載試驗(yàn)撓度觀測(cè)結(jié)果

圖5　典型工況下?lián)隙葴y(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

撓度觀測(cè)采用高精度電子水準(zhǔn)儀，荷載試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)橋跨測(cè)試部位的實(shí)測(cè)撓度小于計(jì)算值，其中第一跨的撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.38～0.91之間，跨中最大實(shí)測(cè)撓度增量為0.77mm；荷載卸除后，各測(cè)試部位的實(shí)際校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，實(shí)測(cè)相對(duì)殘余變形最大值為18.76%，滿(mǎn)足規(guī)程不超過(guò)20%的要求。典型工況下的撓度測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比如下圖5所示。

（2）荷載試驗(yàn)應(yīng)變觀測(cè)結(jié)果

荷載試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)橋跨測(cè)試部位的實(shí)測(cè)應(yīng)變值都處于正常范圍，其中第一跨的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)處于0.44～0.89之間，相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為18.75%，說(shuō)明該測(cè)試截面的結(jié)構(gòu)整體受力性能能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)荷載的要求。典型工況下的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比如下圖6所示。

圖6　典型工況下應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4　結(jié)論

雙曲拱橋是我國(guó)特有的橋梁結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)新穎、輕巧、省料、便于施工等特點(diǎn)，然而由于設(shè)計(jì)、施工缺陷以及多年服役等原因，不少現(xiàn)役拱橋出現(xiàn)了不同程度的病害。

（1）針對(duì)本文討論的工程項(xiàng)目，其主橋上部結(jié)構(gòu)主要典型病害表現(xiàn)為：拱肋和腹拱的多處滲水以及拱波出現(xiàn)多處的縱向裂縫。滲水原因主要為拱肋與拱波交界處結(jié)合面相對(duì)較弱，出現(xiàn)裂縫，以及橋面的防水層受到不同程度的損壞而失效，橋面鋪裝開(kāi)裂較為明顯，排水系統(tǒng)堵塞等。拱波縱向開(kāi)裂原因主要在于拱波配筋不足，橫向聯(lián)系相對(duì)薄弱。

因此對(duì)該橋的維修加固建議可以采取相應(yīng)措施，例如：先采用注膠法對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，再用黏貼碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；加強(qiáng)其拱頂建筑與橋面之間的聯(lián)接性，提高橋面上部之間的整體性；對(duì)橋面鋪裝的裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，疏通排水管道，恢復(fù)全橋排水系統(tǒng)功能。

（2）通過(guò)荷載試驗(yàn)表明該橋在整個(gè)試驗(yàn)加載過(guò)程中，結(jié)構(gòu)受力基本處于彈性工作狀態(tài)，受力狀況良好。通過(guò)對(duì)主要截面位置的撓度和應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表明：撓度和應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，說(shuō)明該雙曲拱橋在強(qiáng)度和剛度上能夠滿(mǎn)足汽車(chē)-20級(jí)，掛車(chē)-100設(shè)計(jì)荷載通行等級(jí)要求。