增设柔性吊索加固混凝土系杆拱桥的试验对比分析

2015-02-19褚莉花

浙江交通职业技术学院学报 2015年1期

关键词：加固

罗　杰，褚莉花

(1.湖州市交通工程总公司，浙江　湖州　313000；2.湖州市公路管理局，浙江　湖州　313000)

增设柔性吊索加固混凝土系杆拱桥的试验对比分析

罗杰1，褚莉花2

(1.湖州市交通工程总公司，浙江湖州313000；2.湖州市公路管理局，浙江湖州 313000)

摘要:为提升湖盐线八里店大桥的整体刚度，优化主桥结构内力，采用在既有混凝土吊杆中间增设柔性吊索的加固方式进行了加固，通过加固前后主桥静动载试验对比分析，得出了加固前后主桥整体刚度、控制截面应力、挠度的变化，检验了增设柔性吊索加固混凝土系杆拱桥的可行性。

关键词：系杆拱桥；柔性吊索；加固；荷载试验

1工程概况

八里店大桥主桥位于湖州市吴兴区境内湖盐线上，桥梁中心桩号为K0+391。主跨上部结构主跨采用72.8m预应力桁架梁，计算跨径为70m。主跨72.8m桁架梁为预应力结构，上弦拱肋梁宽1.4m，高度为0.8m。下弦纵梁宽0.6m,高度为1.7m(混凝土护栏与纵梁间距离约为15cm)。上弦与下弦通过预应力刚性竖杆组成桁片,主桥全宽21.8m。据调查老桥于2000年建成，设计荷载为汽车—20级，挂车—100。

该跨上部结构施工时，每一桁片分为14个预制节段片，安装后现浇湿接头连成整体。桁架中横梁梁高为1.3 m，采用T形截面，桥面横坡通过横梁梁高变化来调整。端横梁采用刚度较大的箱梁形式。

主线桥立面、断面图如图1、2所示。

图1　主桥立面图(单位：cm)

图2　主桥断面图(单位：cm)

2主桥加固设计

为改善吊杆的受力状况，卸除部分拉应力，在主桥原各吊杆间增加吊杆，单片拱肋共增加吊杆12处，每处内外侧各采用一根YM.GJ15D-3钢绞线整束挤压D型拉索，受拱肋宽度制约，为了不侵占行车道建筑限界，在柔性拉索上端设置上锚端构造，下端与系杆下缘的下锚构造连接；在新增吊杆下端张拉施加预应力，通过特殊设计的上下锚固构造将预应力传递给系杆与拱肋。增设吊杆加固见图3。另外，在新增吊杆施工前，应先对裂缝进行分类封闭处理，并对裂缝宽度≥0.15 mm的混凝土吊杆，粘贴碳纤维布补强。

加固后的吊杆立面图如下图3所示：

图3　主桥新增吊杆立面布置图(单位：cm)

3荷载试验及分析

3.1试验理论分析模型

本桥整体模型理论计算分析采用空间有限元程序Midas/Civil计算，加固前后分析模型见图4、5。为精确分析，本桥拱肋、竖杆、系梁及横梁采用梁单元进行模拟，桥面铺装用板单元模拟，柔性吊索利用拉索单元进行模拟，桥面铺装取混凝土整体层厚度的一半即5 cm考虑其刚度，模型共包括1 173个节点，1 606个梁单元，656个板单元。

图4　主桥加固前整体模型

图5　主桥加固后整体模型

3.2试验加载工况设计

3.2.1静载试验

(1)静载试验控制截面及测试内容

为了与加固前的数据进行比较，主桥静载试验测试截面采用与加固前选择一致的断面，静载试验控制截面及测试内容见表1。

表1　八里店大桥静载试验控制截面及测试内容

(2)静载试验加载工况

工况I：纵桥向按拱肋及系梁跨中最大正弯矩，横桥向中载；

工况II：纵桥向按拱肋及系梁跨中最大正弯矩，横桥向偏载；

工况III：纵桥向按拱肋及系梁L/4最大负弯矩，横桥向偏载；

工况IV：纵桥向按拱肋及系梁L/4最大正弯矩，横桥向偏载；

工况V：纵桥向按拱肋拱脚最大轴向力，横桥向偏载；

工况VI：纵桥向按6#吊杆最大增量，横桥向偏载；

工况VII：纵桥向按3#横梁最大正弯矩，横桥向偏载。

3.2.2动载试验

八里店大桥主桥主要测试主桥结构振型、自振频率、阻尼比、冲击系数4个参数，试验工况为脉动试验和无障碍行车试验2种。

(1)脉动试验

该桥脉动试验(模态)测试的主要项目为主桥桥跨结构的振型、自振频率、阻尼比。

(2)无障碍行车试验

在桥面无任何障碍的情况下，用1辆/2辆静载试验载重汽车(总重300 kN)以20 km/h、30 km/h、40 km/h和50 km/h的速度驶过桥跨结构激振桥梁，利用布置的主桥系梁1/4L(1/2L作为备选测点)激光挠度仪测点等来测定主桥试验跨在运行车辆荷载作用下的动挠度曲线，以此分析试验桥跨结构的实测冲击系数。

3.3静载试验结果对比分析

根据荷载效应等效原则对控制截面进行加载试验，利用布置在试验桥跨控制截面的应变测点、挠度测点拾取各加载工况的响应，将2012年试验结果(加固前)与2014年试验结果(加固后)对比如下。

(1)挠度分析

加固前、加固后工况I、II、III、IV各测点理论计算与实测挠度对比分析见图6～图9。

图6　工况I挠度值对比(单位：mm)

图7　工况II挠度值对比(单位：mm)

图8　工况III挠度值对比(单位：mm)

图9　工况IV挠度值对比(单位：mm)

(2)应变分析

加固前、加固后工况I～VI各测点理论计算与实测应变对比分析见图10～图15。

图10　工况I应变值对比(单位：με)

图11　工况II应变值对比(单位：με)

图12　工况III应变值对比(单位：με)

图13　工况IV应变值对比(单位：με)

图14　工况V应变值对比(单位：με)

图15　工况VI应变值对比(单位：με)

(3)静载试验对比分析结论

通过对八里店大桥加固前后静载试验对比分析表明，加固前各试验工况下试验挠度实测值、理论分析值均较相应加固后数值大，表明经加固后八里店大桥主桥的整体刚度改善较为明显；加固前各试验工况下试验应变实测值、理论分析值与相应加固后数值相比有变大有变小情况，分析认为是由于增设了柔性吊索后，系杆拱结构内部应力重新分布所致，其中实测刚性竖杆因增设了柔性吊索实测值、理论分析值均加固前相应数值减小，与设计单位分析结果一致。

3.4动载试验结果对比分析

加固前后主桥动载试验主要测试参数结果对比见表2，两次试验结构振型测试实测振型与理论分析振型基本一致。

表2　动载试验参数对比分析表

由表2分析可见：主桥竖向一阶实测频率由加固前1.35Hz提高到1.37Hz，竖向二阶实测频率由加固前2.50Hz提高到2.64Hz，说明该桥通过加固，对桥梁的整体动刚度有一定的提高。

4结语

混凝土系杆拱桥在湖州地区分布较多，随着当地经济的发展、桥梁服役年数增加，交通量、车辆载重均较桥梁建成时大了很多，部分桥梁技术状况出现恶化，需通过加固来提升桥梁的技术状况，八里店大桥通过增设柔性吊索加固主桥上部结构，为该类桥梁的加固提供了一种较好的思路。通过对八里店大桥主桥加固前后静动载试验的对比可知：

(1)通过增设吊杆，对柔性吊索施加预应力，可基本抵消原设计活载效应，原结构的刚性竖杆受力状况得到明显改善。

(2)通过增设吊杆，改变了系杆拱主拱肋、刚性竖杆、系杆的受力，各控制截面实测结果均较加固前有所优化。

(3)通过增设吊杆，通过各工况的实测挠度减小、自振频率有所增大，表明加固后提高了桥梁的整体刚度。

(4)静载试验及相关理论分析表明，增设柔性吊索加固混凝土系杆拱桥虽能有效改善结构受力状态，提升结构整体刚度，但由于构件截面尺寸、材料强度没有改变，其对桥梁承载力的提高贡献不明显；如需提高结构承载能力，尚需结合其他加固方案进行。

参考文献：

[1]JTG/T J22-2008，公路桥梁加固设计规范[S].

[2]湖州交通规划设计院.湖州市湖盐线(吴兴区)八里店大桥主桥维修工程施工图设计[Z].湖州:湖州交通规划设计院,2012.

[3]浙江交通职业技术学院工程检测试验室.X009湖盐线吴兴区八里店大桥(K0+391)特殊检查检测分析报告(QL201207010)[R].杭州:浙江交通职业技术学院工程检测试验室，2012.

[4]浙江省交通规划设计研究院.湖盐线K0+391八里店大桥特殊检查检测报告(QL(2014)031-02)[R].杭州:浙江省交通规划设计研究院，2014.

Experimental Comparison of Additional Flexible Cable

Reinforced Concrete Tied Arch Bridge

LUO Jie1, CHU Li-hua2

(1.Huzhou Transportation Engineering Corporation,Huzhou 313000,China;

2.Huzhou Highway Administration Bureau，Huzhou 313000,China)

Abstract:To enhance the overall stiffness of the Balidian Bridge, the main bridge structure to optimize the internal forces, the use of the existing concrete boom cable flexible intermediate additional reinforcement manner reinforced by dynamic load test before and after the reinforcement comparative analysis of the main bridge quiet, too out of the overall stiffness of the front and rear axle reinforcement of the main control section stress, deflection changes, test the feasibility of an additional flexible boom Tied reinforced concrete arch bridge.

Key words:tied arch Bridge; flexible cable; reinforcement; load test