大跨度双曲拱桥加固与检验分析

谭荣生

(广西壮族自治区宁明公路养护中心,广西 崇左 532599)

0 引言

大跨度双曲拱桥结构新颖美观、施工材料节约、施工工艺简单,可有效降低工程造价,因此在我国公路桥梁建设中得到了广泛的应用。然而,近年来随着汽车保有量的增加,桥梁所承受的车辆荷载不断增加,重载车辆和超载车辆对桥梁结构产生了较大的破坏。早期修建的大跨度双曲拱桥设计荷载标准较低,结构上也存在一定的缺陷和不足,在重载车辆的荷载作用下桥梁结构逐渐出现了一些破坏,亟须进行改造和加固。本文以某大跨度双曲拱桥的加固施工为研究背景,结合桥梁病害调查结果,制定加固方案,并通过现场静载试验检验加固效果[1-2]。

1 大跨度双曲拱桥加固方案

1.1 工程简介

某大跨度双曲拱桥采用空腹式双曲拱桥设计,中心桩号为K45+517,全长为100 m,单孔跨径为70 m。双曲拱桥主拱圈由5肋4波组成,主拱肋采用变截面设计,拱轴系数为5.232。桥面净宽为8 m,其中行车道宽度为7 m,两侧路缘带宽度为0.5 m。该双曲拱桥原设计荷载为汽车-13级,设计等级较低。近年来,桥梁结构出现多处病害,亟须进行维修改造。

1.2 桥梁病害调查

现场调查结果显示,该大跨度双曲拱桥存在以下病害:桥面局部沉降变形和路面平顺度差,这是由于拱上填料含水率较高,导致作用在其上部的荷载量增加,同时承载能力下降,是桥面下沉的主要原因;局部路段桥梁两侧护栏向外推移,是由于拱腹侧墙产生了明显的外移现象,进而造成两侧护栏外移;主拱和腹拱拱圈顶部个别位置有明显开裂现象,局部结构破坏较严重。另外,检测显示桥面防水层已经失效,导致水分渗入,进而造成拱圈及拱波渗水严重。

1.3 制定加固方案

桥梁加固设计以保护原桥主要结构为原则,对主要构件进行保护,以防止破坏原有的受力结构。加固构件应能与原桥构件协同作用,加固后尽快发挥作用,与原桥结构共同承受荷载[3]。以往采用粘钢加固法加固对双曲拱桥的承载能力提高作用不大,因此本项目采用了箱形钢拱法进行加固。通过计算确定了桥梁承载力较差的部位,有针对性地进行补强加固,提高桥梁的承载能力;对桥梁裂缝及其他病害进行了维修加固或更换,提高桥梁结构的稳定性[4]。加固前后结构示意图如图1所示。加固后,桥梁荷载等级将从原来的汽车-13级、拖车-60级升级到公路-Ⅱ级。

(a)加固前

箱形钢拱法加固选用6 mm厚16号锰钢钢板,分别粘贴在拱肋底部和拱肋侧面,并在底部通过焊接与其他部分的钢板形成一个整体,形成箱形钢拱。箱形钢拱与原拱肋形成一个整体,提高了桥梁结构的抗弯强度和抗剪强度,也有效控制了桥梁主拱和腹拱裂缝的扩展。其中,拱肋底部钢板厚度为6 mm、拱肋侧面钢板厚度为10 mm、箱形钢拱底部钢板厚度为10 mm。

2 静载试验方案

2.1 测点布置

该大跨度双曲拱桥加固后,对桥跨结构施加静力荷载,分别选取最不利的截面,通过量测拱肋和拱波位置的位移和应变来分析典型截面的挠度。同时在试验过程中检查拱圈的裂缝变化情况,观察有无新裂纹产生,分析裂缝有无发展的情况,确定分布规律。

根据大跨度双曲拱桥的受力特点,分别在主拱肋的各部位设置测试截面,并在各测试截面的拱肋和拱波处布置应力和位移测点。主拱肋测试截面的布置如图2所示。

图2 工况一:单侧拱脚截面处正弯矩最不利位置纵向加载示意图(cm)

图2 主拱肋测试截面布置示意图

图3 工况二:单侧拱脚截面处负弯矩最不利位置纵向加载示意图(cm)

图4 工况三:跨中截面处的正弯矩最不利位置纵向加载示意图(cm)

2.2 试验仪器设备

静载试验所使用的检测仪器包括应变仪1套、全站仪1套、刻度放大镜2只、塞尺2只、钢铉式应变计20只、反光板15个和钢卷尺一把。试验加载车辆共4辆,车辆主要参数如表1所示。

表1 试验加载车辆主要参数统计表

2.3 试验工况及加载方案

本试验分别选择单侧拱脚截面处正弯矩和负弯矩最不利位置、跨中截面处的正弯矩最不利位置,沿桥梁纵向布载,分三种工况分别进行加载[5],三种工况加载示意图如图2～4所示。

3 静载试验结果分析

3.1 挠度检测结果分析

分别在各加载工况下对各测点挠度进行检测,统计三个工况下各测点挠度实测结果和计算结果平均值如表2所示。

经过分析表2所示的数据,可知各工况下三个截面各测点挠度实测结果平均值均小于计算结果平均值,并且校验系数均分布在0.60～0.78,满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG T J21-2011)中规定的双曲拱桥位移校验系数应分布在0.6～1.0的要求。结合各测点的检测结果,三个工况下各测点的挠度实测值均小于设计值,且校验系数均分布在0.6～1.0,说明加固后该大跨度双曲拱桥挠度变形在规定范围之内,桥梁荷载-变形性能较好,能够满足公路-Ⅱ级荷载的通行要求[6]。

3.2 应力检测结果分析

在静载试验过程中,分别测定各测点的应力值,统计三个工况下各测点应力实测结果和计算结果平均值,如下页表3所示。

表3 各工况下各测点应力实测结果与计算结果统计表

分析表3的应力和应变检测结果可以得出,应力实测结果均值均小于计算结果均值,校验系数分布在0.68～0.82,满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG T J21-2011)中规定的双曲拱桥应力校验系数应分布在0.6～1.0的要求。结合各测点应力、应变检测结果,应力实测值均小于计算值,且应力校验系数均分布在0.6～1.0,说明在三个工况加载下,桥梁结构均处于正常工作范围内,达到公路-Ⅱ级荷载的设计要求,加固方案达到了预期的加固效果。

4 结语

本研究以大跨度双曲拱桥加固案例为研究对象,根据桥梁结构调查结果制定加固方案,采用箱形钢拱法加固后进行静载试验以检验加固效果,分析试验结果得出以下结论:

(1)加固后各工况下挠度实测值均小于计算值,且校验系数分布在0.60～0.78,说明加固后该大跨度双曲拱桥位移变形达到了公路-Ⅱ级荷载设计要求,桥梁荷载-变形性能较好。

(2)加固后各工况下应力实测值也小于计算值,且校验系数分布在0.68～0.82,说明在各工况加载下桥梁结构均处于正常的工作状态,满足公路-Ⅱ级荷载的设计要求。因此,该加固方案是合理可行的。