双曲拱桥承载能力评估及养护对策

钟国东，程浩波

(1.广东交科检测有限公司，广东 广州 510550；2.广东华路交通科技有限公司，广东 广州 510420)

0 引言

双曲拱桥是我国独创的拱桥形式，其外形在桥梁纵、横两个方向上均为桥拱，主要特点是主拱圈由拱肋、拱波、拱板和横向联系构件等部分组成，以“集零为整”的方式组合成整体结构承重，充分发挥了预制装配的优点，开辟了拱桥无拱架施工的新工艺[1-2]。由于可节省拱架材料、施工进度快、造型美观等特点，上个世纪六七十年代双曲拱桥在全国范围内得到了广泛应用。因主拱圈由多个构件按一定的顺序组合而成，接缝多，截面分阶段受力，导致整体性弱。实践表明，双曲拱桥多数病害是由于拱肋横向连接性能弱、拱板刚度不均所致。我国现存的双曲拱桥基本是在上个世纪60～80年代修建的，由于设计荷载等级低、设计经验不足、施工技术落后、细节处理不当等原因，不少双曲拱桥出现了较为严重的开裂，使其承载能力受到影响，存在安全隐患，不适应日益增长的交通量及车辆载重。因此，有必要对该类桥梁进行深入分析[3-5]。

本文以G236国道彭坑大桥64m跨双曲拱桥为例，对其承载能力、病害进行分析，并提出维修养护的对策。

1 工程概况

彭坑大桥位于河源市龙川县境内的G236线上，桥梁全长301.8m，桥宽9m，双向两车道。该桥第5跨为双曲拱桥，实测净跨64m，矢高9.06m，矢跨比1/7.06，无铰拱受力体系。拱轴为悬链线，拱圈为变高度多肋多波结构，拱肋间设置12道横隔板，上部为空腹式钢筋混凝土板式拱上建筑，跨中拱腔填砂砾土。桥墩为单向推力墩，基础为扩大基础，置于基岩上。桥面采用水泥混凝土。设计荷载标准为汽-15，挂-80，人群2.5kN/m2。双曲拱立面及现场照片如图1和图2所示。

图1 双曲拱桥立面

图2 双曲拱桥现场

根据2019年、2021年的检测报告[6-7]，该双曲拱桥技术状况评定为四类。该桥于1973年建造，时间远久，资料不全，难以准确判断其能否承受预定的荷载，因此拟通过荷载试验判断该桥实际的技术状况。

2 桥梁荷载试验[8]

2.1 静载试验

静载试验的荷载按控制内力、应力或变位等效原则确定，要求荷载效率介于0.95～1.05之间。通过分级加载，测定桥梁控制截面在试验荷载作用下的结构反应，并与理论计算值进行对比分析，评价桥梁的技术状况和承载能力。

2.1.1 工况设置

根据试验目的、规范要求及现场条件，采用横向中载的加载模式进行本次静载试验。试验采用4辆重约25t的车辆分级加载，加载车的布置如图3和图4所示。根据规范要求设置三种工况：

(1)工况一：拱顶最大正弯矩，测试A截面的应变、裂缝。

(2)工况二：拱顶最大挠度，测试A截面的挠度。

(3)工况三：拱脚最大负弯矩，测试B截面的应变。

图3 工况1、2加载车布置(单位：cm)

图4 工况3最不利加载车布置(单位：cm)

图5 测点布置立面(单位：cm)

2.1.2 计算模型的建立

彭坑大桥双曲拱桥采用Midas/Civil三维有限元程序进行建模分析。该模型(图6)的特点：

(1)由于设计、竣工资料不全，采取实测拱轴线和尺寸建立模型，考虑拱上建筑联合作用。

(2)考虑建桥时施工阶段对构件受力的影响，先拱圈后拱上建筑；拱圈采取施工阶段联合截面模拟，先拱肋后拱板形成整体截面。

(3)由于拱波通过砂浆与拱肋连接，且部分拱波开裂，根据现场观测，拱波配筋少，不考虑拱波参与拱圈受力。

(4)拱肋为素混凝土结构，拱板局部配有少量构造钢筋，因此按圬工结构计算。

(5)原设计采用单向推力墩，根据管养单位提供的资料，并实测桥墩位置与竣工图对比，桥墩无明显水平位移，拱脚采用固结的边界条件。

(6)有限元模型采用梁格体系，拱上简支板梁采用铰接边界。

图6 三维有限元模型

2.1.3 试验结果

2.1.3.1 拱顶应变

A截面应变测点采用粘贴电阻应变片进行测试，各级荷载作用下截面的应变变化与恢复情况见表1。

表1A截面应变测试结果

(单位：με)

拱肋满载完全卸载弹性应变平均值理论值校验系数相对残余应变/(%)3#280283012928530.530.03.34#32-33525-32832530.60-9.4-12.0

2.1.3.2 拱顶裂缝

在试验过程中，选取典型的裂缝布设振弦式应变计进行监测，观测试验过程中裂缝的变化情况。本工况在A截面附近选取3条典型裂缝(图7)进行监测，监测结果见表2。

图7 裂缝监测

裂缝编号宽度/长度初读六级加载一级卸载完全卸载AL13/14400.0000.0990.0510.011AL20.16/640.0000.0180.002-0.001AL30.14/640.0000.081-0.008-0.007

2.1.3.3 拱顶挠度

经过墩顶的沉降变形修正后，控制拱肋A截面满载作用下的挠度见表3。

表3 控制拱肋A截面的挠度 (单位：mm)

2.1.3.4 拱脚应变

测试在各级荷载作用下B截面的应变变化与恢复情况，测试结果见表4。

表4 B截面应变测试结果 (单位：με)

2.1.4 静载试验分析[9]

根据以上测试结果，各工况检验系数均满足《评定标准》“<1”的要求，卸载后残余应变均满足《评定标准》“<20%”的要求，卸载后所监测的裂缝基本能够恢复，该桥实际工作状况优于理论，结构在设计荷载作用下处于弹性工作状态。应变检验系数<0.7，表明材料的实际强度和弹性模量较大。

2.2 动载试验

桥梁结构的动力特性与桥梁的结构形式、刚度、约束条件、质量及其分布相关，它是评估桥梁结构整体状态性能的重要参数，通常由桥梁动载试验测试确定。本桥动载试验采用脉动试验测试结构的动力特性。

根据脉动试验，结构前三阶频率实测值均大于理论值，表明该桥的实际刚度大于理论刚度。

表5 前三阶自振参数实测值与理论值

图8 双曲拱桥前三阶理论模态

2.3 试验结果分析

综上所述，通过静载试验和动载试验并结合有限元对比分析，桥梁实际刚度大于理论刚度，实际工作状态优于理论状态，在原设计荷载作用下桥梁处于弹性工作状态，即该双曲拱桥满足原设计荷载的要求。

3 桥梁病害分析

3.1 现场检测

(1)拱肋基本良好，无裂缝，各拱肋线形均平顺、无异常拐点；3道拱波存在纵裂，裂缝位于拱波顶部，缝宽0.3～3.0mm，伴有渗水结晶；拱圈拱背共存在2条纵裂，缝宽0.16～1.00mm(图9)。

图9 拱波纵裂

(2)4道横隔板共存在5条竖裂，个别延伸至底面，形成“L、U”型裂缝，缝宽0.08～0.16mm(图10)。

图10 横隔板竖裂

(3)拱上立柱主要存在局部破损、露筋和少量竖裂，各桥面板中线均存在1或2条纵裂，4跨桥面存在7处破损露筋，2跨桥面板底部存在大面积麻面。

(4)桥面存在大面积网状裂缝，伴有啃边、破损等现象(图11)。

图11 桥面破损

(5)桥墩未见明显的倾斜、滑移等现象。

3.2 病害成因

3.2.1 拱波顶部纵裂

在汽车荷载作用下，相邻拱肋的竖向变形差，导致拱波顶部产生较大的弯矩。拱波与拱板无相应的连接措施，两者未形成整体受力，拱波厚度仅8cm，其承载能力不足以抵抗弯矩，导致开裂。拱肋长期往返变形，使拱波脆断。

3.2.2 横隔板竖裂

4道存在竖裂的横隔板均位于拱跨中间，该处拱跨为实腹段，直接承受车辆荷载的冲击，拱肋反复变形大。横隔板尺寸偏小及分布筋配置不足，导致开裂。其缝宽小，属于钢筋混凝土正常的开裂现象。

3.2.3 桥面破损

桥面破损集中在拱跨中间，与拱波纵裂范围一致，是由于超载车辆作用下拱肋竖向变形不协调形成不均匀沉降，桥面混凝土铺装未配筋导致破损。

4 养护对策建议

根据彭坑大桥双曲拱承载能力评估及病害分析以及双曲拱整体状况良好的实际情况，本文提出相应的养护对策建议：

(1)拱圈在汽-15、挂-80荷载等级作用下，承载能力和正常使用极限状态均符合规范要求，桥梁可维持原设计荷载等级使用。

(2)病害集中在跨中，主要内因为双曲拱整体性差，拱肋在1/4～3/4跨范围变形差较大，使各组成构件存在不均匀沉降，从而导致病害发生。因此，需加强结构的整体性能，重做钢筋混凝土桥面，也可同时增设拱肋横隔板，或对现有横隔板、拱肋和拱波底部外包钢筋混凝土增大截面补强。

(3)根据业主提供的信息及实地调查，近几年过桥车辆主要为砂石、钢材等运输车辆，其载重远超桥梁设计荷载等级。查阅往年的检测报告，拱波、横隔板裂缝多数为新增病害，可见超载是本桥病害的主要外因。因此，建议对过桥车辆进行限载，在桥头设置限高架和限载、限速标志。

(4)本桥于20世纪70年代建成，双曲拱原设计为80m跨，施工期间调整为64m，拱肋维持原80m跨尺寸，拱板调整为填平式，桥墩改为单向推力墩。因此，桥梁结构本身具有一定的承载富余。但考虑到桥梁营运已久，材料存在老化的现象，且圬工结构在重载车辆振动作用下易损坏，故需加强桥梁的日常巡查和养护。

5 结语

目前多数双曲拱桥位于山区的低等级公路，难于控制通行车辆的载荷，基于此，结合双曲拱桥的受力特征和常见病害，对该类桥型的维修加固进行总结。

(1)主拱圈强度不足时，可采取加大拱圈截面或粘贴钢板进行加固。若恒载过大，可更改拱上建筑结构形式，减小拱上重量。

(2)拱圈加大截面时，拱背加固作业条件好，施工质量易于保证；拱底或侧面加固时，宜采用支架现浇钢筋混凝土，若采取挂网喷射混凝土，应加强施工控制。

(3)拱顶范围正弯矩较大，拱肋下缘变化平顺，可采用粘贴钢板法进行加固；拱跨两侧拱圈线性急剧变化，影响钢板贴合效果，不宜采取钢板加固。

(4)增设横隔板或加大横隔板，或肋间增设底板变双曲拱截面为箱形截面，可加强拱肋的整体性，改善拱圈受力条件。

(5)改变拱上建筑时，可将拱式拱上建筑改为梁板式拱上建筑；跨中实腹段也可改为空腹段，无条件时可采用轻质土填充拱腔。

(收稿日期：2022-04-21)

BearingCapacityEvaluationandMaintenanceCountermeasuresforDoubleCurvedArchBridge

ZHONGGuodong1,CHENGHaobo2

(1.Guangdong Jiaoke Testing Co., Ltd., Guangzhou 510550，Guangdong， China;2. Guangdong Hualu Transport Technology Co., Ltd.,Guangzhou 510420，Guangdong， China)

Abstract:Aiming at the double curved arch bridge of Pengkeng Bridge, which has been built and operated for more than 46 years, the bearing capacity of the bridge has been evaluated and its stress characteristics have been discussed through static load test, dynamic load test and finite element analysis. The results of load test and finite element analysis have shown that the double curved arch bridge is in elastic working state, and the actual stiffness of the structure is greater than the theoretical stiffness; The causes of diseases have been analyzed, with maintenance and rehabilitation strategies being proposed through field investigation for the main diseases of the double curved arch bridge.

Keywords：double curved arch bridge;bearing capacity; load test; finite element analysis; disease analysis