雙曲拱橋加固前后荷載試驗對比分析

1、<p>　　雙曲拱橋加固前后荷載試驗對比分析</p><p>　　摘要：某雙曲拱橋于1973年建成，1994年對橫系梁加焊角鋼進行抗震加固，由于重型運礦車輛的長期通行，運營35年期間積累了大量病害，為了解該橋的結構性能和承載能力，保證該橋正常使用，對該橋進行了加固，并對其加固前后進行了荷載試驗，以測試其加固前后的實際承載力，檢驗加固效果。試驗結果表明，此種雙曲拱橋加固方法加固效果明顯，其加固和評估方法可

2、對同類橋梁提供參考。 </p><p>　　關鍵詞：雙曲拱橋；荷載試驗；加固 </p><p>　　A double curved arch bridge was built in 1973, 1994 on the beam welding angle seismic strengthening, due to the long passage of heavy mineral tran

3、sport vehicle, the operating period of 35 years the accumulation of a large number of diseases, in order to understand the structural performance of the bridge and the bearing capacity of the bridge, to ensure the normal

4、 use of the bridge, the reinforcement, and the before and after the reinforcement of the load test, to test before and after reinforce</p><p>　　The double curved arch bridge; load test; reinforcement </p&

5、gt;<p>　　中圖分類號：TU997 文獻標識碼：A </p><p>　　1 工程概況及病害描述 </p><p>　　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，設計拱軸系數m=3.5，設計荷載等級為汽-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

6、設有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，下部結構為片石混凝土重力式橋臺，橋墩為沉井基礎，均砌置在砂礫石基礎上。橋梁布置圖見圖1-1。 </p><p>　　圖1-1 雙曲拱橋橋立面布置圖 </p><p>　　于2008年11月進行了結構檢測，主要病害情況如下： </p><p>　　全橋

7、拱肋、拱波等主拱圈出現(xiàn)多處裂縫； </p><p>　　拱肋局部混凝土脫落，箍筋及主筋外露且銹蝕嚴重； </p><p>　　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； </p><p>　　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； </p><p>

8、;　　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。 </p><p><b>　　2 加固設計 </b></p><p>　　原橋設計荷載接近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構進行驗算，結果表明主拱肋拱腳截面承載能力不能滿足規(guī)范要求。為了改善結構受力性能，提高橋梁承載能力，對該橋進行了加固設計，本次加固

9、設計的主要思路為：基于本橋已開展的調查及評估分析成果與結論，在不改變原有結構受力體系的情況下，首先對主拱及腹拱主要受力體系中已產生的損傷與缺陷進行維修與補強，增強結構受力的整體性，防止主要受力材料進一步劣化，在此基礎上采取有效的加固方法提高橋梁損傷構件的承載能力，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： </p>&

10、lt;p>　　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； </p><p>　　2、拆除橋面鋪裝和人行道系，增設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)； </p><p>　　3、對檢測中發(fā)現(xiàn)的各類裂縫進行密封和修補處理； </p><p>　　4、為了提高主拱圈的承載能力，在空腹段的

11、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，兩側加厚10cm； </p><p>　　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； </p><p>　　6、鑿除原橋面鋪裝層，整治拱上填料，再放置預制的橫挑梁加寬橋面，

12、澆筑鋼纖維混凝土鋪裝層，同時重新設置橋面排水系統(tǒng)，設置變形縫和伸縮縫。 </p><p>　　3 加固前荷載試驗 </p><p><b>　　3.1 靜載試驗 </b></p><p>　　3.1.1 荷載效率 </p><p>　　原橋設計荷載為汽-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

13、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。經過計算分析，本次試驗選取拱腳及拱頂兩個內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。各試驗工況及荷載效率見表3-1。 </p><p>　　表3-1 試驗工況及效率系數 </p><p>　　3.1.2 測試截面及測點布置 </p><p>　　應力測試截面為

14、拱腳及拱頂截面，撓度測試截面為跨中截面，各截面測點布置見圖3-1。 </p><p>　　圖3-1 各測試截面測點布置圖（單位：cm） </p><p>　　3.1.3 撓度測試結果 </p><p>　　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，梁的編號從下游側開始，撓度單位為mm。拱頂控制截面在各中載工況下

15、，各測點實測撓度值均小于理論值，撓度校驗系數在0.74～0.89之間，處于拱橋結構撓度校驗系數的正常范圍，表明其剛度滿足設計要求。偏載工況下跨中截面的實測撓度見表3-3，從表中數據可以看出，橫向增大系數較大，說明該橋橫向聯(lián)系較差，整體性不好。 </p><p>　　表3-2 實測撓度與理論值 </p><p>　　3.1.4 應變測試結果 </p><p>　　控制

16、截面在試驗荷載作用下應力試驗值與計算值的比較見表3-4。測量應力計算中混凝土彈性模量按照設計混凝土250#進行計取，即E＝2.8×104MPa。表中數據以受壓為負，受拉為正，單位均為MPa。表中數據可以看出，正載工況應力校驗系數在0.41～0.95之間，處于拱橋結構應力校驗系數的正常范圍,表明其強度滿足設計要求。 </p><p>　　表3-4 各中載工況實測應力與理論值 </p><

17、;p><b>　　3.2 動載試驗 </b></p><p>　　動載試驗主要包括：（1）脈動試驗：橋梁結構的自振特性測試，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。實測頻率與理論值比較見表3-5，實測頻譜圖見圖3-2。實測頻率低于

18、理論頻率，說明橋梁實際剛度略小于計算模型。 </p><p>　　表3-5 自振頻率實測值與理論值對比 </p><p>　　圖3-2 自振頻率實測頻譜圖 </p><p>　　不同車速下跨中截面的行車沖擊系數見表3-6。按照文獻[1]中規(guī)定，沖擊系數（1+μ）理論值為1.26。從試驗數據結果分析可以看出，跨中截面行車沖擊系數最大數值為1.21，與理論值比較接近，屬

19、正常范圍。 </p><p>　　表3-6 實測跨中截面沖擊系數（1+μ） </p><p>　　4 加固后荷載試驗 </p><p><b>　　4.1 靜載試驗 </b></p><p>　　4.1.1 荷載效率 </p><p>　　加固后設計荷載等級為：公路-I級，人群3.0kN/m2，橋

20、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。各試驗工況及荷載效率見表4-1。 </p><p>　　表4-1 試驗工況及效率系數 </p><p>　　4.1.2 測試截面及測點布置 </p>&

21、lt;p>　　應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，各截面測點布置見圖4-1。 </p><p>　　圖4-1 各測試截面測點布置圖（單位：cm，括號內的數字為L/4截面） </p><p>　　4.1.3 撓度測試結果 </p><p>　　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

22、，向上為負，梁的編號從下游側開始，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，撓度校驗系數在0.84～0.89之間，處于拱橋結構撓度校驗系數的正常范圍，表明其剛度滿足設計要求。偏載工況下跨中截面的實測撓度見表4-3，從表中數據可以看出，橫向增大系數較加固前有所減小，說明所采取的加固方法提高了橋梁結構的整體性能。經過重復工況后，兩次測量數據較吻合。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

23、展現(xiàn)象。試驗荷載卸載后結構無明顯殘余變形，表明結構在試驗荷載下處于彈性工作狀態(tài)。 </p><p>　　表4-2 實測撓度與理論值 </p><p>　　4.1.4 應變測試結果 </p><p>　　控制截面在試驗荷載作用下應變試驗值與計算值的比較見表4-4。表中數據以受壓為負，受拉為正，單位均為με。表中數據可以看出，正載工況應力校驗系數在0.43～0.96之間

24、，處于拱橋結構應力校驗系數的正常范圍,表明其強度滿足設計要求。 </p><p>　　表4-4 各中載工況實測應力與理論值 </p><p><b>　　4.2 動載試驗 </b></p><p>　　實測頻率與理論值比較見表4-5，實測頻譜圖見圖4-2。實測頻率大于理論頻率，說明橋梁實際剛度大于計算模型。 </p><p&

25、gt;　　表4-5 自振頻率實測值與理論值對比 </p><p>　　圖4-2 自振頻率實測頻譜圖 </p><p>　　不同車速下跨中截面的行車沖擊系數見表4-6。按照文獻[1]中規(guī)定，沖擊系數（1+μ）理論值為1.27。從試驗數據結果分析可以看出，跨中截面行車沖擊系數最大數值為1.27，與理論值一致。 </p><p>　　表4-6 實測跨中截面沖擊系數（1+μ

26、） </p><p><b>　　5 結論 </b></p><p>　　由靜載試驗結果可知：撓度及應變實測值均小于理論計算值，加固后結構的強度和剛度均能滿足公路-I級荷載的要求，達到了加固設計的預期目標，加固后實測結果的橫向增大系數從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，提高了結構的整體性。由動載試驗數據可知：加固后橋梁的自振頻率大于

27、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。 </p><p><b>　　[參考文獻] </b></p><p>　　[1] 交通部公路科學研究所.大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[M].北京：人民交通出版社，1982. </p><p>　　[2] JTG D60-20