寬橋面剛架拱橋荷載試驗與加固技術(shù)研究

孫全勝， 余海燕

(東北林業(yè)大學， 黑龍江 哈爾濱　150040)

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寬橋面剛架拱橋荷載試驗與加固技術(shù)研究

孫全勝， 余海燕

(東北林業(yè)大學， 黑龍江 哈爾濱150040)

[摘要]由于斜腿鋼架拱橋結(jié)構(gòu)中以拱片受壓為主，充分發(fā)揮了鋼筋混凝土抗壓性能優(yōu)越的特點，但也使得這種結(jié)構(gòu)設(shè)計承載能力的安全儲備較低，即過度超荷載能力弱。以哈爾濱一座剛架拱橋為例，介紹了該橋的靜載和動載試驗，由荷載試驗和外觀檢測結(jié)果可知該橋整體剛度、安全儲備和抗扭能力不足，需要進行大修或維修。依據(jù)檢測結(jié)果提出加固設(shè)計，并結(jié)合有限元仿真分析對加固前后的橋梁承載能力進行驗算，結(jié)果表明加固效果較好，具有重要的經(jīng)濟價值及深遠的社會效益。

[關(guān)鍵詞]剛架拱橋； 荷載試驗； 加固技術(shù)； 寬橋面

0前言

剛架拱橋是繼雙曲拱橋之后發(fā)展起來的又一種新型橋梁，自上世紀70年代試建以來，由于其外型優(yōu)美輕巧、相比同跨徑的雙曲拱橋可降低墩臺推力、造價低、施工方便等優(yōu)點，一經(jīng)試用便得到廣泛的應(yīng)用。建筑高度約為同跨徑簡支梁橋的1/2，鋼材節(jié)約20%～30%，并可分段預制安裝形成整體橋梁結(jié)構(gòu)體系[1]，適宜北方施工季節(jié)較短的氣候特點。

但當時修建的大批橋梁，現(xiàn)如今已陸續(xù)出現(xiàn)各種問題，例如：拱片露筋剝蝕、桁架節(jié)點連接松動、拱片裂縫、混凝土風化等諸多病害，而且隨著交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，城市重載車輛的增多和車流量的大幅度加大，當時修建的很多剛架已不能滿足現(xiàn)今的承載能力需求。為提高城市剛架拱橋的運營安全，對其進行承載能力評定，并制定經(jīng)濟有效的加固措施已經(jīng)越發(fā)刻不容緩[2]。

本文以哈爾濱一座跨徑50 m，橋面寬41.6 m的寬橋面剛架拱橋為例，通過外觀檢測和靜動載試驗結(jié)果，對橋梁進行承載能力評定。依據(jù)評定結(jié)果，對該橋進行加固設(shè)計研究。

1工程概況

橋梁上部結(jié)構(gòu)為1×50 m剛架拱，矢高6.25 m，矢跨比1/8。拱片及微彎板預制安裝施工，共13個拱片，拱片由實腹段、內(nèi)弦桿、外弦桿、斜撐、主拱腿組成，實腹段及內(nèi)外弦桿間對稱布置16道橫系梁，每邊主拱腿間設(shè)2道橫系梁。橋梁下部結(jié)構(gòu)橋臺為鋼筋混凝土U型橋臺，承臺厚2 m，下接鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑1.2 m。橋梁橫斷面形式為：中間0.6 m分隔帶，兩側(cè)各15.5 m車行道，各5 m人行道，總寬度41.6 m，雙向八車道。設(shè)計荷載等級為城-A級，人群3.5 kN/m2，該橋竣工于2008年。

2承載能力評定

在對橋梁進行荷載試驗之前，對該橋進行了詳細的外觀檢查。檢查發(fā)現(xiàn)全橋存在多處開裂，主要表現(xiàn)為：跨中實腹段存在多處豎向裂縫，個別裂縫形成U型開裂，裂縫寬度介于0.06～0.16 mm之間；橫系梁也存在豎向和斜向裂縫，3#、4#、5#拱片間橫系梁部分脫落；內(nèi)弦桿和外弦桿混凝土存在裂縫，部分為U型裂縫，裂縫寬度介于0.04～0.2 mm之間；微彎板存在縱、橫向裂縫，裂縫寬度介于0.04～0.24 mm之間；橋臺臺身出現(xiàn)豎向貫通裂縫，裂縫寬度介于0.06～1.2 mm之間；橋面鋪裝存在橫縱向開裂，主要集中在中央分隔帶兩側(cè)5 m范圍內(nèi)。

2.1靜載試驗

利用橋梁專用有限元計算分析軟件MIDAS/Civil建立空間梁格計算模型，對結(jié)構(gòu)進行試驗設(shè)計。且依據(jù)外觀檢測結(jié)果，充分考慮檢算系數(shù)、承載能力惡化系數(shù)、截面折減系數(shù)以及活載影響修正系數(shù)，對計算模型進行修正，使其盡量和實際結(jié)構(gòu)相符。計算在設(shè)計荷載(城-A級，人群3.5 kN/m2)作用下跨中的最大彎矩和拱腳的最大軸力。結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。根據(jù)理論分析計算，因本橋?qū)挾冗_到41.6 m，拱片達到13片，橋梁橫向較寬，選擇一側(cè)偏載時，對另外一側(cè)的影響很小，所以本次試驗分左、右偏載進行。共計4個加載工況，見表1所示。

圖1　剛架拱計算模型示意圖Figure 1　Rigid frame arch model for the calculation

根據(jù)等代荷載法，將設(shè)計荷載換算成同等效應(yīng)的試驗車輛進行加車。本橋現(xiàn)場實際施加的試驗荷載采用7輛重約為350 kN的載重汽車，為保證試驗安全，試驗分三級加載，一級加載①②③，二級加載④⑤，三級加載⑥⑦，試驗過程中若拱片出現(xiàn)新裂縫、裂縫寬度明顯增大的趨勢等現(xiàn)象時，立刻停止加載[3]。各工況下的荷載效率為0.96～1.04，具體見表2所示。其加載位置示意圖如圖2、圖3所示。

表1 靜載試驗工況Table1 Staticloadtestconditions工況編號工況名稱工況1左偏載跨中最大彎矩工況2左偏載拱腳最大軸力工況3右偏載跨中最大彎矩工況4右偏載拱腳最大軸力

表2 分級加載控制Table2 Multistageloadingcontrol分級工況1、3工況2、4彎矩/(kN·m)荷載效率/%彎矩/(kN·m)荷載效率/%一級269.941568.155.1二級542.583842.081.6三級654.9961031.5104

圖2　橋面縱向加載示意圖(單位： cm)Figure 2　Bridge deck longitudinal load diagram(unit： cm)

圖3　車輛布置示意圖Figure 3　Vehicle arrangement diagram

分別以設(shè)計荷載作用下出現(xiàn)最大正彎矩的跨中位置(A-A截面)、出現(xiàn)最大負彎矩的外弦桿與實腹段相交節(jié)點位置(B-B截面)作為控制截面，在控制截面相應(yīng)的拱片底面各布置一個撓度測點和應(yīng)變測點，如圖4、圖5所示。撓度采用百分表進行測試，應(yīng)變采用BGK-4000基康鋼弦傳感器和BGK-408鋼弦頻率儀進行測試和數(shù)據(jù)采集。

圖4　拱底撓度測點布置圖Figure 4　Arch bottom deflection measuring point layout

圖5　拱底應(yīng)變測點布置圖Figure 5　Arch bottom strain measuring point layout

2.1.1撓度測試結(jié)果

控制測點在各荷載等級下A-A截面主要控制測點撓度結(jié)果見表3所示。

由表3可知：工況1和工況3作用下各控制點的撓度校驗系數(shù)為1.23～1.53，測點的撓度校驗系數(shù)均大于1.0，說明該橋的剛度小于理論剛度，剛度不足，隨著荷載增加，截面開裂，撓度急劇增大；卸載后，殘余應(yīng)變?yōu)?.0%～35%，最大值大于規(guī)范規(guī)定20%，部分拱片已經(jīng)進入塑性工作狀態(tài)。

表3 控制測點跨中拱底撓度Table2 Acrossthebottomofthearchdeflectionmm工況控制測點一級二級三級卸載工況1A-3理論值-5.0-11.9-13.10.0實測值-6.0-14.0-16.0-2.0A-4理論值-7.0-10.9-12.80.0實測值-3.0-13.0-20.0-2.0工況3A-11理論值-7.0-11.9-13.10.0實測值-9.0-14.0-18.0-2.0A-10理論值-4.6-10.9-12.80.0實測值-6.0-13.0-19.0-1.0

2.1.2應(yīng)變測試結(jié)果

各荷載等級下，B-B截面主要應(yīng)變控制測點應(yīng)變見表4所示。

表4 控制測點B-B截面拱底應(yīng)變Table4 B-Bsectionarchbottomstrainμε工況控制測點一級二級三級卸載工況2B-Y3理論值-43-93-1030實測值-34-99-118-19B-Y4理論值-63-80-1030實測值-46-95-114-21工況4B-Y11理論值-43-93-1030實測值-21-55-58-3B-Y10理論值-63-80-1030實測值-26-57-69-2

在工況2作用下主要應(yīng)變控制測點B-Y3、B-Y4應(yīng)變校驗系數(shù)分別為1.14和1.11，實測應(yīng)力值均大于理論計算應(yīng)力值，荷載試驗校驗系數(shù)均大于1，表面橋梁的實際受力狀況比理論計算狀況要差，承載力不足。在工況4作用下主要應(yīng)變控制測點B-Y10、B-Y11應(yīng)變校驗系數(shù)分別為0.67和0.56。殘余應(yīng)變?yōu)?%～30%，最大值大于規(guī)范規(guī)定20%，部分拱片已經(jīng)進入塑性工作狀態(tài)。

2.1.3橫向分布測試結(jié)果

① A-A截面滿載時，在工況1和工況3作用下的拱片撓度如圖6所示。由圖可知拱片撓度橫向分布與理論計算橫向分布趨勢基本相同，實測拱片跨中撓度均大于理論計算撓度，橋梁整體剛度偏小。

圖6　截面滿載撓度橫向分布圖Figure 6　Deflection of lateral distribution with full load

② B-B截面滿載時應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖7所示，實測各主拱腿橫向分布與理論計算值分布規(guī)律基本一致。B-Y3、B-Y4測點應(yīng)變超過理論計算值，其余測點未超過理論計算值，說明橋梁橫向剛度過小，橫向傳力不足。

圖7　截面滿載應(yīng)變橫向分布圖Figure 7　Strain of lateral distribution with full load

本橋?qū)捒绫葹?.832，屬于寬橋，由圖6和圖7可知：當一側(cè)施加靜力荷載時對另一側(cè)的影響比較小，符合彈性支撐連續(xù)梁法的基本原理：即當荷載P=1作用于多拱片的某一片上時，該作用只能影響荷載作用所在拱片和其兩側(cè)各兩片拱[4]。當對剛架拱橋的一側(cè)作用荷載時，只對荷載附近的拱片有影響，較遠的拱片影響很小。

2.2動載試驗

動載試驗使用DH5922動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)、DHDAS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)、DH610V加速傳感器和基于Matlab平臺自行開發(fā)的模態(tài)分析軟件進行數(shù)據(jù)采集，測點布置在路緣石內(nèi)緣橋面上，分別布置在L/4、L/2和3L/4處。

得到橋梁結(jié)構(gòu)豎向自振頻率見表5所列，實測一階振型如圖8所示，相應(yīng)的一階理論振型如圖9所示。

表5 橋梁自振頻率及振型Table4 Bridgevibrationfrequencyandvibrationmode動力特性頻率/Hz周期/s阻尼比/%第一階實測3.03/3.87理論3.1480.318/

圖8　一階實測振型示例Figure 8　First-order measured modal example

圖9　一階理論振型示例Figure 9　First-order theory mode examples

從表4、圖8、圖9可以看出：實測的橋梁結(jié)構(gòu)的一階豎向自振頻率大于3 Hz，但實測第一階頻率(3.03 Hz)小于理論計算一階頻率值(3.148 Hz)，表明橋梁整體振動特性較差，橋梁整體豎向剛度不滿足設(shè)計要求。

3病害原因分析

剛架拱設(shè)計時遵循恒載作用下各構(gòu)件彎矩最小的原則，各構(gòu)件截面尺寸較小，對荷載的增加十分敏感[5]。經(jīng)對原結(jié)構(gòu)進行驗算可知，原結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)僅為1.04；當荷載超出設(shè)計荷載的15%時，結(jié)構(gòu)將會因跨中彎矩過大而產(chǎn)生開裂。且該橋自2008年竣工通車以來，由于周邊路網(wǎng)還不完善，該橋作為群力新區(qū)與老城區(qū)連接的唯一交通主干道，大量拉運建筑材料、土方等特種運輸車輛和超載車輛在該橋通行(據(jù)不完全統(tǒng)計最大荷載已超出設(shè)計荷載30%)，超出該橋設(shè)計使用極限，并長期(5 a)處于超限服務(wù)狀態(tài)，致使從市里進入群力新區(qū)的載重車輛對該橋右半幅橋體造成一定程度損傷，由外向內(nèi)第3、4、5拱片間橫系梁部分脫落，行車道面鋪裝出現(xiàn)縱向裂縫。此外溫度、收縮等因素也是造成拱片出現(xiàn)裂縫的主要因素。

該橋?qū)儆趯挊颍捎诤奢d作用產(chǎn)生的橫向彎矩較大，橫系梁、微彎板等橫向連接均需有足夠的抗彎與抗扭強度。但由于上述構(gòu)件為預制后安裝，因此連接點相對薄弱，而且橫系梁截面尺寸較小，致使全橋橫向整體性欠佳。且根據(jù)交通荷載的分布，駛往群力方向重載、超載交通較多，群力新區(qū)大部分外運方及建筑材料均以該方向進如群力新區(qū)，因此該橋右半幅橋梁結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)亦越大，而上述3、4、5拱片恰位于右半幅車行道。在長期使用后，橫系梁自身出現(xiàn)裂縫，以及與拱片連接點混凝土出現(xiàn)破損，進一步減弱了拱片間的橫向聯(lián)系，活荷載橫向分布受到一定影響，易造成個別拱片單片受力，進一步加劇了拱片的病害。

根據(jù)剛架橋的動力學特征，斜腿剛架拱橋的基頻位于1.5～6 Hz之間，該橋經(jīng)實測為3.03 Hz，這與經(jīng)過的車輛自身頻率(2～4 Hz)較為接近，因此車輛經(jīng)過時容易引起車橋共振的現(xiàn)象發(fā)生，從而造成橋面較大的振動[6]，易造成橫向聯(lián)系的破壞。對于斜腿剛架橋而言，各拱片通過橫向聯(lián)系形成整體。橫向連接的破壞不僅造成單元結(jié)構(gòu)承載能力不足，而且會削弱橋梁的整體性，車輛經(jīng)過橋梁時的扭轉(zhuǎn)振動亦愈為明顯。弱化的橫向聯(lián)系容易引起橋梁的扭振，而且這種扭振還會反之引起橫向聯(lián)系的反復疲勞拉壓，從而引起橋面裂縫的增加。

4加固技術(shù)方案的確定

由上述檢測結(jié)果可知橋梁綜合評定為D級，為不合格狀態(tài)，應(yīng)進行臨時交通管制，然后對橋梁進行大修加固處理。

4.1加固措施

因本橋為城市橋梁，綜合考慮加固措施的美觀性、經(jīng)濟性和適用性，以全面提高其承載能力與安全儲備，增強橋梁的整體剛度及拱片之間的橫向聯(lián)系，提高其抗彎抗扭性能為目的[7]。最終采用粘鋼板加固方法，主要加固措施如下所示：

① 對拱片跨中實腹段以拱頂為中心兩側(cè)曲線長度6.25 m范圍內(nèi)采用U型鋼板外包，鋼板厚度10 mm；

② 對拱片內(nèi)、外弦桿底緣粘貼8 mm的鋼板條，對內(nèi)外弦桿側(cè)面粘貼厚度為10 mm的鋼板；

③ 對大小節(jié)點采用厚度10 mm的異形鋼板外包；

④ 主拱腿1.5 m長度范圍內(nèi)外包鋼板焊接，鋼板厚度6 mm；

⑤ 對橫系梁外包U型鋼板，并與拱片側(cè)面和底緣外包鋼板焊接；

⑥ 橋臺臺后填土進行鋼花管注漿加固；

⑦ 銑刨橋面瀝青混凝土鋪裝層5 cm，然后鋪設(shè)PGM14型土工布，攤鋪5 cm AC-16C改性瀝青混凝土(摻進口博尼維纖維)；

⑧ 結(jié)構(gòu)裂縫進行灌封修補。

4.2加固前后結(jié)構(gòu)計算

① 加固前選取最不利一片梁對橋梁結(jié)構(gòu)進行驗算，綜合考慮汽車、人群、溫度、混凝土收縮徐變等荷載的作用組合[8]。加固前承載能力不滿足城-A級荷載等級要求，跨中和拱腳截面已出現(xiàn)開裂。圖中黑線代表抗力，紅線代表內(nèi)力，構(gòu)件的抗力與效應(yīng)值如圖10、圖11所示?？刂平孛鎻姸闰炈闳绫?所示。

圖10　加固前最大抗力及對應(yīng)效應(yīng)值比較Figure 10　Before strengthening maximum resistance and 　corresponding effect comparison

圖11　加固前最小抗力及彎矩效應(yīng)值比較Figure 11　Before strengthening minimum resistance and 　bending effect value comparison

表6 加固前控制截面強度驗算Table6 Beforestrengtheningcontrolsectionstrengthcal-culation位置內(nèi)力屬性荷載效應(yīng)/kN抗力效應(yīng)/kN受力類型安全系數(shù)外弦桿與實腹段相交節(jié)點最大彎矩16901860下拉偏壓1.1最小彎矩-9012240上拉偏壓-2.5跨中最大彎矩26802480下拉偏壓0.9最小彎矩44611100下拉偏壓24.9

② 加固后將拱片底緣粘貼鋼板面積折減85%后換算為鋼筋面積，輸入截面底緣，保護層厚度考慮5 mm。構(gòu)件的抗力與效應(yīng)值如圖12、圖13所示。由圖12、圖13可知：加固后，在承載能力極限狀態(tài)下，剛片拱各個截面均滿足承載能力要求，結(jié)構(gòu)安全可靠?？刂平孛鎻姸闰炈闳绫?所示。

加固后在短期效應(yīng)組合下，各截面最大裂縫為0.176 mm，小于0.2 mm，滿足規(guī)范要求。且正常使用極限狀態(tài)下，剛架拱各個截面抗剪均滿足要求，最小安全系數(shù)為1.233。

圖12　加固后最大抗力及對應(yīng)效應(yīng)值比較Figure 12　After strengthening maximum resistance and 　corresponding effect comparison

圖13　加固后最小抗力及彎矩效應(yīng)值比較Figure 13　After strengthening minimum resistance and 　bending effect value comparison

表7 加固后控制截面強度驗算Table7 Afterstrengtheningcontrolsectionstrengthcalcu-lation位置內(nèi)力屬性荷載效應(yīng)/kN抗力效應(yīng)/kN受力類型安全系數(shù)外弦桿與實腹段相交節(jié)點最大彎矩17202160下拉偏壓1.3最小彎矩-8672500上拉偏壓-2.9跨中最大彎矩27503610下拉偏壓1.3最小彎矩46911900下拉偏壓25.4

加固后對樁基承載能力進行驗算：橋臺臺后被動土壓力遠遠大于結(jié)構(gòu)自重及活載產(chǎn)生的水平力，考慮臺后被動土壓力影響，樁基水平力及彎矩被抵消，樁基僅承受豎向荷載作用。樁基豎向力包括結(jié)構(gòu)恒載、活載、橋臺及填土自重。承臺自重不計入樁基豎向荷載。計算單樁容許承載力1 893.5 kN大于單樁豎向力設(shè)計值1 791.8 kN，承載力滿足要求。

5結(jié)論

本文詳細闡述了哈爾濱一座寬橋面剛架拱橋的靜載試驗和動載試驗步驟，且依據(jù)試驗結(jié)果和外觀檢測結(jié)果提出合適的加固設(shè)計。主要研究結(jié)論如下：

① 在靜荷載作用下，橋梁實際受力狀態(tài)與理論計算結(jié)果基本吻合，實測撓度、應(yīng)變橫向分布與理論計算橫向分布基本一致，但橫向剛度偏弱；主要測點撓度校驗系數(shù)達到1.5左右，應(yīng)變測點校驗系數(shù)達到1.1左右，殘余變形最大值大于20%，部分拱片已經(jīng)進入塑性工作狀態(tài)，橋梁整體剛度不足；

② 在動荷載作用下，實測第一階頻率(3.03 Hz)小于理論計算一階頻率值(3.148 Hz)，橋梁整體振動特性較差，橋梁整體豎向剛度不滿足設(shè)計要求。

③ 橋梁橫向分布符合彈性支撐連續(xù)梁法的原理，荷載作用只對荷載附近的拱片有影響；

④ 采用的粘鋼板加固效果較好，恢復了橋梁的使用功能、提高了其承載能力、增加了安全儲備。

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The Load Test and The Research of Reinforcement Technology of Rigid-frame Arch Bridge with Wide Deck

SUN Quansheng， YU Haiyan

(Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040， China)

[Abstract]Because of the inclined leg structure of rigid-frame arch bridge is given priority to compression，also give full play to the characteristics of the reinforced concrete compressive superior performance，but also the safety reserve of carrying capacity of the structure design is lower，the excessive load ability.This article takes Harbin a rigid frame arch bridge as an example，introduce the bridge static load and dynamic load test，we can see that the ability of safety reserves and torsion of the integral stiffness is insufficient by the testing results of load test and appearance，it needs an overhaul or repair. Reinforcement design is put forward on the basis of test results，and combined with the finite element simulation analysis of bridge carrying capacity before and after the reinforcement calculation，results show that the reinforcement effect is good，it has important economic value and profound social benefits.

[Key words]rigid frame arch bridge； load test； strengthening technique； wide deck

[中圖分類號]U 445.7+2

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0089-05

[作者簡介]孫全勝(1968-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士后，教授，博導，研究方向：橋梁設(shè)計，檢測，加固，橋梁耐久性研究。

[收稿日期]2014-12-29