东关双曲拱桥典型病害分析及荷载试验研究

■卢益平

（南平市公路局直属分局，南平　353000）

东关双曲拱桥典型病害分析及荷载试验研究

■卢益平

（南平市公路局直属分局，南平353000）

作为我国早期常见的公路桥型——双曲拱桥，经过多年的运营，已不同程度地出现了许多病害。本文结合邵武地区富下线公路50m跨径双曲拱桥——东关大桥，讨论了该桥的典型病害及成因分析，并给出了相应的维修加固建议方案。通过荷载试验及理论计算表明，该桥在静载作用下桥梁主要控制截面的挠度和应变均满足规程要求，桥梁满足设计荷载通行等级要求。

双曲拱桥典型病害成因分析荷载试验

0　前言

双曲拱桥是我国广泛应用的一种公路桥型，在20世纪60、70年底大量修建，它是在石拱桥的基础上吸取了钢筋混凝土结构技术而创造出的新颖结构形式，对当时的交通发展起到了良好的推动作用。但随着我国经济建设的迅速发展，交通运输量大幅度提高，公路形成密度急剧增大，车辆载重显著增大。现存双曲拱桥中大部分已经不能满足使用上的要求。其中有的是由于在长期使用中已经发生老化、出现种种病害，严重影响了承载能力；也有一些是由于以往设计荷载标准偏低，无法满足现今荷载等级提高的需要，出现了不同程度的病害，甚至危及行车安全。因此对现有的双曲拱桥进行了病害的现场调查及分析，通过静载试验验证桥梁的承载安全性就显得十分必要。

本文以东关大桥为工程背景，对既有钢筋混凝土双曲拱桥的典型病害及病害成因进行分析，并结合双曲拱桥自身的结构特点，进行了相应的荷载试验，检验该桥的结构安全性能。

1　工程概况

东关大桥位于邵武地区富下线公路K233+700处，于1982年5月建成，该桥为5跨50m双曲拱桥+4跨10m板拱，跨越富屯溪。桥梁全长346.9m，桥面总宽12m，行车道宽9m，设计荷载为汽车-20级，挂车-100。该桥横向由7片钢筋混凝土拱肋和混凝土拱波组成，拱肋由横系梁连接。该桥为直线桥，设计横坡2%，桥面采用水泥混凝土。上部构造主跨为5×50m钢筋混凝土双曲拱，下部构造为实体桥墩、石砌U型桥台、扩大基础，桥梁布置如图1所示。

图1　东关大桥布置示意图

2　典型病害及成因

2.1典型病害调查

东关大桥上部结构典型病害表现为多处腹拱渗水，多处拱肋大面积渗水，多处拱波出现纵向裂缝。第一跨出现拱肋渗水泛白8处，拱波裂缝1处；第二跨出现拱肋渗水泛白6处，拱波裂缝2处，腹拱立柱渗水1处；第三跨出现拱肋渗水泛白4处，腹拱渗水2处，拱波纵向裂缝2处；第四跨出现拱肋渗水泛白3处，腹拱渗水1处，拱波裂缝2处；第五跨出现拱肋渗水2处，腹拱渗水1处，如下图2所示。拱波裂缝多为纵向贯通单片拱波，宽度在0.2mm左右。

2.2病害成因分析

（1）多处拱肋出现渗水泛白，主要原因是拱波与拱肋间砌缝扩展而导致渗水现象，说明拱肋与拱波交界处出现顺跨径方向的水平向裂缝。形成原因主要为施工过程质量控制不够严格，或拱圈刚度不足，拱波、拱肋间结合面薄弱，受力不均衡造成。

图2典型病害图示

（2）多处拱波出现纵向裂缝，该病害是双曲拱桥最常见的病害。其主要原因有：①拱波偏薄，钢筋保护层不足；②建设时钢材用量不足，拱波配筋少，有的拱波配置的钢筋网钢筋间距过大；③横向联系相对比较薄弱，桥梁运营时荷载实际横向分布不均匀，在拱波受荷载作用时，各片拱肋竖向位移不一致，使得拱波受力不均；且双曲拱桥拱顶处最为薄弱，从而产生纵向裂缝；④桥梁长期超流量车辆通行，则会加剧该类病害的发展。

（3）腹拱出现渗水现象，原因在于结构防水层由于多年的运营使用遭到一定的损坏而失效。桥面铺装开裂较为明显，且排水系统普遍存在堵塞现象，说明桥梁的日常养护工作不够到位。

3　静载试验

3.1试验工况及测点布置

该桥主桥为五孔拱桥，桥孔现状无明显差别，选择第一跨进行荷载试验。大跨度拱桥主要考虑拱顶、拱脚和1/4拱位置截面，因此选取四种荷载状态下的组合，共八个工况，分别为：状态一，拱顶最大正弯矩（中载、偏载）；状态二，拱脚最大正弯矩 （中载、偏载）；状态三，拱脚最大负弯矩 （中载、偏载）；状态四，1/4拱最大正弯矩 （中载、偏载）。

测点布置方案：在桥面左右两侧布置九个挠度观测点，以及主要截面位置的7片拱肋底部布置纵向应变片，如图3所示。

3.2试验车辆及荷载效率

根据该桥设计要求，通行荷载标准取为汽车-20级、挂车100，以及人群荷载 （3.5kN/m2），分别按控制截面弯矩最不利位置布载，确定控制截面的设计控制内力。通过建立该桥的三维有限元模型 （如图4所示），按照最大影响线加载的方法，以及按控制截面内力等效原则进行加载，并使控制截面试验荷载效率满足规程要求 （如表2所示）。本桥采用2台38t三轴重车进行等效布载 （如表1所示）。正式加载试验之前，每台车辆分别过磅称重，确保满足荷载试验要求。

图3　测点布置位置示意图

表1　加载车辆技术参数列表

表2　静载试验荷载效率列表

图4　东关大桥有限元模型

3.3试验结果分析

（1）荷载试验挠度观测结果

图5　典型工况下挠度测试结果与计算结果对比

挠度观测采用高精度电子水准仪，荷载试验结果表明：试验桥跨测试部位的实测挠度小于计算值，其中第一跨的挠度校验系数介于0.38～0.91之间，跨中最大实测挠度增量为0.77mm；荷载卸除后，各测试部位的实际校验系数均小于1.0，实测相对残余变形最大值为18.76%，满足规程不超过20%的要求。典型工况下的挠度测试结果与计算结果对比如下图5所示。

（2）荷载试验应变观测结果

荷载试验结果表明：试验桥跨测试部位的实测应变值都处于正常范围，其中第一跨的应变校验系数处于0.44～0.89之间，相对残余应变最大值为18.75%，说明该测试截面的结构整体受力性能能满足设计荷载的要求。典型工况下的应变测试结果与计算结果对比如下图6所示。

图6　典型工况下应变测试结果与计算结果对比

4　结论

双曲拱桥是我国特有的桥梁结构形式，具有结构新颖、轻巧、省料、便于施工等特点，然而由于设计、施工缺陷以及多年服役等原因，不少现役拱桥出现了不同程度的病害。

（1）针对本文讨论的工程项目，其主桥上部结构主要典型病害表现为：拱肋和腹拱的多处渗水以及拱波出现多处的纵向裂缝。渗水原因主要为拱肋与拱波交界处结合面相对较弱，出现裂缝，以及桥面的防水层受到不同程度的损坏而失效，桥面铺装开裂较为明显，排水系统堵塞等。拱波纵向开裂原因主要在于拱波配筋不足，横向联系相对薄弱。

因此对该桥的维修加固建议可以采取相应措施，例如：先采用注胶法对裂缝进行修补，再用黏贴碳纤维布进行补强；加强其拱顶建筑与桥面之间的联接性，提高桥面上部之间的整体性；对桥面铺装的裂缝进行修补，疏通排水管道，恢复全桥排水系统功能。

（2）通过荷载试验表明该桥在整个试验加载过程中，结构受力基本处于弹性工作状态，受力状况良好。通过对主要截面位置的挠度和应变测试结果表明：挠度和应变的校验系数均小于1.0，说明该双曲拱桥在强度和刚度上能够满足汽车-20级，挂车-100设计荷载通行等级要求。