双曲拱桥加固后静载试验研究

江 山

(1.安徽省公路工程检测中心，安徽 合肥 230051;2.桥梁与隧道工程检测安徽省重点实验室，安徽 合肥 230051)

双曲拱桥加固后静载试验研究

江 山1,2

(1.安徽省公路工程检测中心，安徽 合肥 230051;2.桥梁与隧道工程检测安徽省重点实验室，安徽 合肥 230051)

文章详细介绍了某双曲拱桥采用组合式拱肋的新型加固方法，并通过桥梁加固后的静载试验，介绍了静载试验方法及内容，并对试验结果进行了详细的分析。试验结果表明，加固后桥梁承载能力满足公路-Ⅱ级的要求。同时也表明，组合式拱肋的新型加固方法对提高双曲拱桥承载能力和横向整体性的加固效果显著，对该类桥梁加固和承载能力检测提供有益参考。

双曲拱桥；组合式拱肋；静载试验；承载能力

1 工程概况

某双曲拱桥位于安徽省省道S326上。上部结构为3孔净跨径29.6 m的双曲拱桥， 6肋5波结构。净矢跨比为1/9.6。该桥20世纪60年代建成通车，运营至2013年4月时经检测发现，其纵向中心线位置拱波片沿波顶中心连线处断裂，主拱肋及墩台渗水严重，桥面铺装出现大量纵横向裂缝，严重影响桥梁结构和人车通行安全，并评定为四类桥。

1.1 主要病害及原因

(1) 由于原桥未设置沉降缝，桥面铺装在起拱线对应位置出现横向贯通裂缝。

(2) 桥面在桥梁中心线处出现纵向裂缝，且桥梁中心线处拱波断裂，是由于桥梁横向联系薄弱，重载车辆较多，且车辆偏载行驶现象严重造成。

(3) 由于桥面铺装损毁严重，泄水管堵塞，排水不畅，雨水下渗至拱板及拱上立柱，造成立柱及拱底渗水析白，混凝土碳化严重。

为保证过往车辆及行人安全，针对该桥的病害特点及原因分析，确定了利用原桥下部结构、拆除并重新设置拱上建筑的加固设计方案。

1.2 加固方案

(1) 拆除原拱上建筑，对原有主拱肋进行凿毛处理，采用C40微膨胀混凝土填平拱波波谷至高出拱波15 cm，形成新的拱板与原拱肋共同受力的组合式拱肋。

(2) 采用增大截面的方法对桥台和桥墩处的拱脚进行加固处理。

(3) 修复主拱肋、拱波及横系梁的现有缺陷，主要为裂缝封闭、破损混凝土修复、锈蚀钢筋的处理。

(4) 重新设置拱上建筑，增设板式橡胶支座，浇筑现浇连续板，将原桥梁拱上建筑转换为梁式结构。

(5) 重新设置桥面系，新桥面较原桥面抬高30 cm，完善桥梁接线。

由于本桥病害为双曲拱桥型较为典型的病害，相关部门将该桥作为专项研究工程，采取组合式拱肋的新型加固方法进行桥梁加固，加固后的设计荷载采用公路-Ⅱ级，并在施工结束后进行成桥静载试验以检验加固效果。

2 静载试验

评估拱式结构在试验荷载作用下的结构行为一般从抗弯能力、变形能力、裂纹分布及状态3 个方面进行。根据拱式结构在最不利截面处的上述行为表现可以很好地评价主拱结构的工作性能。在拟定试验方案时，根据一般工程载重车辆情况，并兼顾考虑该桥重载车辆较多，且偏载情况严重，同时结合该桥的受力特点，根据相关试验规范的要求来确定试验车辆重量和试验加载方案[1-11]。

2.1 计算分析

利用桥梁专用有限元计算分析软件MIDAS/Civil建立有限元模型对结构进行计算，计算在试验荷载作用下结构控制测点的位移、应变(应力)等参数。该桥原设计荷载等级不详，本次荷载试验的控制荷载为公路-Ⅱ级，结构计算模型如图1所示。

图1 桥梁计算模型

2.2 静载试验工况设置

在求得桥梁在控制荷载作用下的内力后，确定试验截面，如图2所示。并根据各控制截面影响线，按受力最不利原则确定车辆加载方案，典型工况加载布置图见图3～图6所示。试验车辆为2辆单车重量为420 kN的后双轴车，各工况试验荷载效率见表1所列。主要试验加载工况如下:

(1) 工况一：第1跨近拱顶A截面最大正弯矩偏载试验，测试A截面拱肋各测点的挠度和应变。

(2) 工况二：第1跨拱顶B截面最大正弯矩偏载试验，测试B截面拱肋各测点的挠度和应变。

(3) 工况三：第1跨1#墩拱脚C断面最大负弯矩偏载试验，测试C截面拱肋各测点应变。

(4) 工况四：第2跨1/4跨D断面最大正弯矩偏载试验，测试D截面拱肋各测点挠度和应变。

图2 试验控制截面布置图(cm)

表1 静载试验效率系数

图3 工况一车辆加载布置图(cm)

2.3 静载试验测点布置

主要测试结构各控制截面的变形(挠度)和应变(应力)。挠度采用机械式百分表测试，应变采用电阻应变片及静态应变采集系统测试。各截面测点布置见图7所示。

图4 工况二车辆加载布置图(cm)

图5 工况三车辆加载布置图(cm)

图6 工况四车辆加载布置图(cm)

图7 试验截面应力及挠度测点布置(cm)

2.4 静载试验结果

2.4.1 拱肋挠度

在各工况试验荷载作用下，测试拱肋实际挠度并与理论值相比较。典型工况下拱肋挠度实测值及理论值见图8～图11所示。挠度以向下为正。

挠度是一个反映结构受力性能的综合性指标,挠度校验系数的大小直接反映构件承载能力的好坏。

图8 工况一荷载作用下A截面测点挠度

图9 工况二荷载作用下A截面测点挠度

图10 工况三荷载作用下A截面测点挠度

图11 工况四荷载作用下A截面测点挠度

对实测值与理论分析值的分析结果表明: 各截面测点挠度校验系数均值在0.55～0.86，而钢筋混凝土拱桥的挠度校验系数通常在0.50～1.00之间，可见本桥的挠度校验系数在常值范围内，说明桥跨结构在等效试验荷载作用下变形性能和静力刚度较好，能够满足公路-Ⅱ级荷载的使用要求。

2.4.2 拱肋应变

在各工况试验荷载作用下，测试拱肋实际应变并与理论值相比较。典型工况下拱肋应变实测值及理论值见图12～图15所示。

图12 工况一荷载作用下A截面测点应变

图13 工况二荷载作用下A截面测点应变

对实测值与理论分析值的分析结果表明: 各截面测点应变校验系数均值在0.52～0.88，而钢筋混凝土拱桥的应变校验系数通常在0.50～0.90之间，可见本桥的应变校验系数在常值范围内，这说明桥跨结构在等效试验荷载作用下强度较好，能够满足公路-Ⅱ级荷载的使用要求。

图14 工况三荷载作用下A截面测点应变

图15 工况四荷载作用下A截面测点应变

2.4.3 桥梁弹性恢复性能

卸载后间隔15 min读取残余值，挠度测点最大相对残余变形为5.66%，应变测点最大相对残余应变为8.86%，相对残余值均小于规范要求的20%，说明桥梁具有较好的弹性工作性能。

从表1可知,当最大工况分别作用于各测试截面的最不利载位时,控制测点的实测应变值均未超过理论值,校验系数主要分布在0.40～0.60之间,说明该桥所测构件的强度达到设计要求。卸载后残余应变较小,最大残余应变仅为最大荷载作用下变形的17% ,说明该跨应变回零情况较好。

2.4.4 裂缝分析

在试验前后，对桥梁典型控制截面进行裂缝检查，未发现裂缝产生。

3 结束语

(1) 在试验荷载(2辆42 t汽车) 作用下，桥梁挠度校验系数及应变校验系数均小于1.0，表明该桥承载能力能满足公路-Ⅱ级设计荷载的正常使用要求。

(2) 结构在试验荷载作用下，挠度及应变沿桥梁横向分布较均匀，横向联系效果良好。

(3) 试验荷载卸载后，结构各测点相对残余变形(应变)均小于20%，结构的弹性恢复性能良好。

(4) 试验前后，未发现有裂缝产生。

综合分析认为，采用组合式拱肋的新型加固方法加固后的该双曲拱桥整体受力性能良好，加固效果显著，满足公路-Ⅱ级的设计荷载要求。

4 建 议

(1) 建议在拱顶及拱脚关键部位增设永久位移观测点，定期对其竖向沉降及水平位移进行观测。

(2) 建议按照养护规范要求委托具有相关资质的检测单位对桥梁进行定期检查，当病害原因难以判断时，进一步采用荷载试验的方式检验桥梁实际承载能力，并积累技术资料以掌握桥梁的实际工作状态和材质退化情况。

(3) 鉴于桥梁位处交通繁忙的省道交汇口，车流量大，重载车辆多，偏载情况严重等因素，建议管养部门进行适当限载，引导车辆行进路线，减少严重偏载对桥梁结构造成的损伤。

[1] 谌润水,胡钊芳.公路桥梁荷载试验[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2] 谌润水,胡钊芳，帅长斌.公路旧桥加固技术与实例[M].北京:人民交通出版社,2001.

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[11] 郭玉龙.双曲拱桥承载能力的评定[D].南宁：广西大学，2011.

2016-10-22；修改日期：2016-10-26

江 山(1983-)，男，安徽合肥人，安徽省公路工程检测中心工程师．

U448.34;U448.224

A

1673-5781(2016)05-0659-04