中承式系杆拱桥承载力评定与加固技术研究

孟闻远, 孟枫林,2

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.河南德郑高速公路有限公司,河南 开封 475004)



中承式系杆拱桥承载力评定与加固技术研究

孟闻远1, 孟枫林1,2

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.河南德郑高速公路有限公司,河南 开封 475004)

在分析某中承式系杆拱桥的横向稳定性及吊杆和横梁病害的基础上,对该桥进行有限元建模，并进行了受力分析及荷载试验评定.分析结果表明，该桥横向联系不足,吊杆和横梁的安全系数偏低.对此，提出了拱肋加横撑、更换吊杆、横梁粘贴钢板的加固方案.加固后对桥梁进行了荷载试验和吊杆索力测试，结果表明，加固方案对解决中承式系杆拱桥的病害问题是有效的,可为类似桥梁的加固工程参考.

中承式系杆拱;承载力;病害;荷载试验;加固;吊杆

系杆拱桥是一种将梁和拱两种基本结构组合起来,由拱肋、系杆(梁)、吊杆等协同工作,充分发挥梁受弯、拱受压的结构特性,以系杆(梁)部分或完全承受拱水平推力的结构形式.从结构内部的受力情况来看,拱肋的轴向压力与水平系梁的拉力形成一组相互作用的平衡力系,抵消了大部分拱肋与主梁截面的弯矩.从外部结构看,中承式系杆拱桥在恒载作用下拱脚的水平推力主要由水平系梁来承受,而活载、温度荷载等作用产生的拱脚水平推力由基础来承受.

由于系杆拱桥为超静定结构,受力复杂,在外荷载作用及温度、墩台位移和其他构造等影响下,结构可能出现开裂,从而使截面应力重分布,并且随着裂缝的开展可能导致结构体系转换,引起内力重分布,甚至出现桥梁的倒塌[1].

目前,中承式系杆拱桥在运营过程中常见的病害包括[2-6]:混凝土老化、碱-骨料反应、酸侵蚀、氯离子侵入、冻融等;拱座处地基沉降,拱座产生水平和竖向位移以及倾斜转动,甚至开裂;拱脚混凝土压溃开裂,钢筋局部失稳屈曲崩裂,拱圈拱轴变形,拱圈出现受拉裂缝以及拱上建筑开裂;拱桥吊杆锈蚀、疲劳损伤;支座破损老化生锈,桥面破裂漏筋,伸缩缝堵塞破损;整体性差,稳定性差,振动明显,强度不足,桥面宽度不够等.

笔者以典型系杆拱桥为例,采用力学分析和荷载试验方法对其承载能力进行评定,提出桥梁存在的主要问题并提出相应的加固改造方案,最后基于荷载试验结果对加固效果进行评价.

1 桥梁概况

某三跨中承式系杆拱桥长315 m,全桥共设8道宽4 cm的伸缩缝,单跨净跨L0=95 m,矢拱度为1/5,拱轴线为悬链线,拱轴系数m=1.347.该桥基础为钻孔灌注桩，桥台后两端各设一传力墩.桥梁如图1所示.

图1 桥梁概况

该桥设计荷载等级为汽-15级、挂-80级,设计人群荷载为3.5 kN/m2.全桥宽16 m,桥面分布为12 m(行车道)+2×2 m(人行道).设计洪水流量Qs=3 950 m3/s,Hs=62.90 m,冲刷标高H=46.75 m.

桥梁现场检测发现病害较为严重,主要表现为以下几点.

1)第1孔拱肋由于施工等原因发生了横向偏移,最大偏移量达15 cm.

2)吊杆采用4φ22普通螺纹钢筋,上端锚于拱肋内,下端与横梁预留钢筋头焊接,吊杆外套钢管,内注砂浆,检查发现约有20多根吊杆在不同程度上存在吊杆防锈钢管锈蚀和开裂渗水、吊杆钢套筒与拱肋结合处开裂、吊杆内部受力钢筋部分锈蚀等现象,对结构安全危害很大.

3)横纵梁以及拱上立柱均出现不同程度裂缝、混凝土剥落、钢筋锈蚀等病害.

4)桥梁附属设施如伸缩缝、栏杆、人行道等也出现失效、损坏等情况.

5)外观调查对桥面系、上部结构、下部结构和附属构造评定等级均为不合格,桥梁总体评定等级不合格.

2 桥梁承载力评定

2.1 受力性能分析

采用MIDAS空间有限元程序对该桥进行分析,采用空间梁单元模拟拱肋和纵、横梁,采用只受拉杆单元模拟吊杆,全桥单元离散如图2所示.

图2 计算模型

2.1.1 拱 肋

通过对全桥的稳定性进行空间有限元分析可知,拱肋的稳定特征值n=2.70,失稳模态为横桥向弯曲失稳.本桥稳定特征值较低,主要与拱肋横桥向抗弯刚度较小且两拱肋间的横向联系较弱有关.

鉴于增加拱肋的横向抗弯刚度难度较大,因此加固方案设计主要通过加强拱肋的横向联系来提高其空间稳定性.表1给出不同加固方案空间稳定分析的计算结果.

表1 拱肋加横撑对结构稳定性的影响

由表1可知,加横撑后对全桥的稳定安全系数有一定的提高,但由于拱肋本身的截面尺寸所限,稳定性不能因此而大幅提高；若增加的横撑数大于2,其对结构稳定的作用已不明显.考虑到目前的稳定性状况,加固中不宜增加过多重量.因此,拟通过对每跨拱肋增加两道横系梁来改善其空间稳定性.

2.1.2 吊 杆

[7]，对该桥吊杆力的分析结果见表2.

由于吊杆设计需计入如疲劳、冲击等因素,吊杆的安全系数应在2.5以上,而短吊杆的安全系数应在3以上.本桥各吊杆安全系数为1.29～1.38,远低于上述要求,根据国内类似桥梁结构破坏的经验,为确保车辆及人群的安全,宜更换全部吊杆.

2.1.3 横 梁

该桥横梁验算采用如下荷载组合.

组合Ⅰ：结构重力+汽车+人群.

组合Ⅲ：结构重力+汽车+挂车.

承载能力极限状态荷载组合的各项系数按规范JTJ 023—85的4.1.2条取值.

鉴于横梁的受力模型较复杂,承载力验算采用以下3种模型进行计算.

1)考虑与桥面板及纵梁的连接,按空间模型分析,其主要计算结果见表3.

表3 横梁弯矩和承载力验算 kN·m

2)不考虑纵梁作用,但考虑桥面板参与受力,按T梁模型分析.

横梁和桥面板形成整体承担荷载.据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第3.2.2条,T型梁翼缘取2.7 m,主要计算结果如下.

横梁支反力:Rmax=429 kN(偏载);

跨中最大荷载效应:Mmax=1.26×103kN·m;

结构跨中承载能力:Mu=1.42×103kN·m;

长期荷载裂缝:δfmax=0.158 mm.

Mmax

δfmax=0.158 mm<δ=0.2 mm(极限值),满足规范要求.

3)不考虑纵梁及桥面板参与受力,按简支梁分析,主要计算结果如下.

横梁支反力:Rmax=429 kN;

跨中最大荷载效应:Mmax=477 kN·m;

结构跨中承载能力:Mu=650 kN·m.

Mmax

上述计算表明,横梁的极限承载能力满足规范要求.但现场调查表明横梁的病害较多,对结构的耐久性和整体性能构成潜在危害.荷载试验表明横梁的受力已不满足设计要求,因此为确保桥梁安全运营,需采用粘贴钢板或碳纤维等补强措施对横梁进行加固.

综上可知,在桥梁运营初期拱肋和横梁的极限承载能力尚能满足汽-15级荷载要求,但横向整体稳定性不足,吊杆安全储备太低,随着桥梁的服役,主要构件的承载力均有一定程度的下降,因此应进行加固处理.

2.2 静载试验

静载试验目的就是通过对实际结构进行加载测试,以评定桥梁实际工作状态和受力特性,通过实测各控制截面的应力和变形(挠度),并与相应的理论检算值相比较,进而分析、判断桥梁结构的承载能力和使用条件[8].

结合现场情况确定对第1跨进行试验,主要测试截面如图3所示,重点测试内容包括以下几点.

1)南侧拱脚截面(J1)在相应加载工况下的应力测试.

2)北侧L/4截面(J3)在相应加载工况下的应力测试.

3)拱顶L/2截面(J2)在相应加载工况下的应力测试.

4)拱顶L/2截面(J2)在相应加载工况下的挠度测试.

5)拱顶处横梁(J4)在相应加载工况下的应力和挠度测试.

6)拱顶处系杆拉索在相应加载工况下的索力测试.

7)试验过程中拱肋及横梁裂缝的开展情况.

图3 试验测试截面

试验采用4辆18 t级解放牌载重汽车,分6种工况加载，每种工况下均采用两排两列车队加载,每一加载工况均分2～4级,见表4.

表4 静载试验现场测试加载工况

表5为工况4荷载作用下拱肋跨中挠度测试结果.由表5可知,拱顶截面挠度实测值均小于理论值,卸载后残余变形为0.1 mm.这表明在设计荷载作用下拱肋仍在弹性范围内工作,刚度尚有富余.

表5 拱肋跨中挠度测试结果 mm

表6为横梁最不利工况下应变的测试结果.由表6可知,设计荷载作用下横梁跨中截面实测应变明显大于理论值,这表明横梁的安全储备较低.

表6 横梁应变测试结果 με

2.3 动载试验

动载试验包括跑车试验、刹车制动试验、跳车试验.结构振动特性测试的测点布置在试验桥跨的L/2位置,结构动挠度的测点布置在桥跨跨中.

图4为跨中加速度时程曲线.通过傅里叶变换可得桥梁固有频率为3.31 Hz,小于理论计算值3.66 Hz,这表明结构实际刚度偏弱.实测结构阻尼比为0.049 6,对数衰减率为0.312,表明结构振动衰减较快,这与结构实际存在开裂有关.

图4 跨中加速度时程曲线

图5为跨中动挠度时程曲线.计算可得结构动力冲击系数为1.27,且随车速增大而加大.车速为40 km/h时,冲击系数为1.33.这表明行车过程中桥面动态增量较大.

图5 20 km/h通行时跨中动挠度时程曲线

3 加固方案

3.1 加固设计方案

1)增加拱肋横向联系.为提高拱肋的稳定性,增加2道横系梁,如图6所示.

图6 系杆拱桥加固示意图

2)横梁加固.为改善横梁的受力状况,采用粘贴钢板法对部分横梁进行加固.

3)吊杆更换.对原有刚性吊杆进行更换,采用柔性高强钢丝吊杆.

3.2 加固施工方案

中承式系杆拱桥受力复杂,加固施工顺序对结构整体受力性能影响较大,经比较采用以下施工方案.

1)对原桥主拱拱肋尺寸、线型、桥面标高、横梁尺寸及标高、吊杆长度等进行测量及复核.

2)凿除原桥面铺装层10 cm.

3)在桥面上搭设支架.

4)在拱肋间加横系梁,加强拱肋的整体稳定性.

5)粘贴拱肋加强钢板.

6)横系梁上铆粘钢板.

7)在拱肋上设置临时吊杆平台.

8)安装临时吊杆及横梁下纵钢梁.

9)张拉临时吊杆,并对桥面标高进行监控,释放原吊杆拉力,使临时吊杆处于锁定状态.

10)切除原吊杆,再在正确位置钻孔.

11)在横梁上安装锚固装置,并与新吊杆连接.

12)在拱肋上施工锚下垫片,安放锚具,并拉紧吊杆,墩头锚固.

13)拱上立柱的维修、加固及更换.

14)纵梁、承台等结构的维修及加固.

15)凿除原拱肋粉饰层,挂钢筋网喷混凝土.

16)铺设新桥面系.

17)更换伸缩缝.

18)栏杆、人行道板的维修及加固.

19)锥坡的维修.

20)桥墩处沉石,桩基防冲刷施工.

4 加固效果

4.1 荷载试验

采用荷载试验对加固后效果进行评价,结果表明,相同测试工况下拱肋最大挠度减小10%,系杆和横梁挠度、应力减小约20%,桥梁整体受力性能得到改善.

4.2 吊杆索力

吊杆索力采用振动法测试,鉴于短吊杆测试误差较大,主要对加固前后4#—18#吊杆进行测试比较,如图7所示.由图7可知,两侧吊杆的索力差别不大,大致呈对称分布,表明整桥受力较为合理.

图7 吊杆索力分布情况

试验荷载下吊杆安全系数见表7.由表7可知,吊杆安全系数n均大于3.0,满足安全系数一般不小于2.5的规定,表明在现在通行状况下吊杆是安全的.

5 结 语

通过对某系杆拱桥受力性能分析和荷载试验,对中承式系杆拱桥横向稳定、吊杆及横梁病害等问题进行了研究,并提出了相应的维修加固方案.通过对加固后桥梁的荷载试验和吊杆索力测试,表明加固方案对解决中承式系杆拱桥的病害问题是有效的,可在类似工程中借鉴应用.

参 考 文 献

[1]徐洪涛,郭国忠,蒲焕玲,等.我国近年来桥梁事故发生的原因与教训[J].中国安全科学学报,2007,17(11):90-95.

[2]黄志林.预应力混凝土系杆拱桥病害分析及加固研究[D].重庆:重庆交通大学,2009.

[3]杨敏.钢管混凝土系杆拱桥的常见病害及处治方法[J].城市道桥与防洪,2008(7):137-138.

[4]秦伟航,刘军.钢筋混凝土系杆拱桥吊杆专项检查及病害成因分析[J].北方交通,2012(1):30-32.

[5]朱自伟.某系杆拱桥病害检测及处理分析[J].公路交通科技(应用技术版),2013(1):16-19.

[6]李永河,唐潘,刘爱荣.某中承式系杆拱桥静动载试验分析[J].自然灾害学报,2010,19(4):66-70.

[7]朱康.混凝土拱桥吊杆更换技术研究[J].山西建筑,2010,36(8):301-302.

[8]曾彦.基于静载试验的桥梁结构性能评价[J].华北水利水电学院学报,2013,34(4):65-68.

(责任编辑：陈海涛)

Research on Reinforcement Technologies and Evaluation on Bearing Capacity of Arch Bridge with Half-through Tied Bars

MENG Wenyuan1, MENG Fenglin1,2

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China; 2.Henan Dezheng Expressway Co., Ltd., Kaifeng 475004, China)

Based on the analytical results for the lateral stability and the diseases of booms and beams in arch bridge with half-through tied bars, the model of the bridge was established by finite element software, and analysis of forces and evaluation of load tests were conducted. The results show that this arch bridge has some problems, such as lack of lateral linkage and low safety factors of booms and beams. Thus, we provided the reinforcement scheme of adding crossbars to arch ribs, replacing booms, pasting steel plates on the beams. Results from load tests of the bridge and cable force tests of the booms show that the reinforcement schemes are effective for solving the problems of arch bridge with half-through tied bars, and it provides a reference for reinforcement engineering of similar bridges.

half-through tied arch; bearing capacity; disease; load test; reinforcement; boom

2014-12-08

河南省交通运输科技计划项目(2012D24).

孟闻远(1965—),男,河南郾城人,教授,博导,博士,主要从事工程力学、水工结构等方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.007

U448.35

A

1002-5634(2015)01-0033-05