某粘贴钢板加固双曲拱桥荷载试验研究

刘 杰，李光昕

（1.佛山市公路工程质量监测所，广东佛山528000；2.佛山市南海区佛山西站投资建设有限公司，广东佛山528200）

某粘贴钢板加固双曲拱桥荷载试验研究

刘 杰1，李光昕2

（1.佛山市公路工程质量监测所，广东佛山528000；2.佛山市南海区佛山西站投资建设有限公司，广东佛山528200）

以佛山市某粘贴钢板加固双曲拱桥为背景，采用MIDAS/Civil2012有限元软件建立理论模型，通过对桥梁进行静载和动载试验，将试验数值与理论数值进行对比分析，对桥梁的工作状况和承载能力进行评定。结果表明，该桥粘贴钢板加固后能满足现加固设计荷载等级要求，为同类型加固双曲拱桥的工作性能分析提供参考。

双曲拱桥；钢板加固；工作性能；荷载试验

双曲拱桥是20世纪60年代我国首创的一种桥型，它不仅发挥了传统拱桥中石料或混凝土材料抗压强度高的优点，还充分发挥了预制装配的优点，可以不要拱架施工，节省木料，施工进度快［1］。作为20世纪发展的新型桥梁形式，为公路桥梁事业和国民经济发展作出了巨大贡献。由于双曲拱桥一般设计荷载等级比较低，经过30多年的运营，车辆荷载等级逐渐提高，双曲拱桥均出现了不同程度的病害，为确保运营安全，采用何种方式对双曲拱桥进行加固并对加固后双曲拱桥的工作状态和承载能力评定成为备受关注和重视的问题［2-4］。本文以佛山市某粘贴钢板加固双曲拱桥为工程依托，通过对加固后桥梁进行荷载试验，对该桥的承载能力进行评定，为同类型加固双曲拱桥的加固性能分析提供参考。

1 工程实例

1.1 工程概况

该双曲拱桥位于广东省佛山市省道S121广龙线上，中心桩号K5+571处，于1978年建成，净跨径组合为4×10.6 m，全桥长55.6 m，老桥全宽21 m，设计荷载不详，加固图纸按汽车-20，挂车-100进行加固设计，人群荷载为3.5 kN/m2。上部结构采用矩形多肋多波双曲拱，横桥向共9片拱肋，拱圈净跨径为9.6 m，净矢高为1.2 m，矢跨比为1/8，拱肋材料为200#混凝土，拱上立柱与腹拱采用150#混凝土。下部结构采用桩柱墩台，盖梁采用150#混凝土，桩柱200#混凝土。桥梁立面见图1。

图1 双曲拱桥立面图（单位：cm）

1.2加固前病害介绍

该双曲拱桥加固前经现场外观检测，发现该桥主拱圈拱肋在跨中位置均存在多条U型裂缝，裂缝间距5～15 cm，裂缝宽度0.1～0.25mm；拱波纵向开裂严重，裂缝宽度最大值达到6mm；拱肋间横系梁混凝土破损露筋严重；腹拱拱圈和立柱砼破损，部分拱圈断裂、脱落。该桥病害见图2。

图2 桥梁主要病害图

1.3 加固设计介绍

根据检测结果，设计单位给出的主要加固措施为：对主拱圈拱肋底部粘贴厚度δ＝10mm的钢板，拱肋侧面粘贴δ＝6mm的钢板，对拱波底面粘贴6mm钢板，对横隔板底面和侧面粘贴6mm钢板，钢板间相互焊接，钢板与拱肋间留6 cm间距，灌注自流平混凝土填充；对拉杆进行防腐除锈处置后，采用环氧砂浆抹面修复。对腹拱立墙脱落出采用灌注M15水泥砂浆修复，对腹拱立墙侧面采用粘贴6mm钢加固。加固后效果见图3。

图3 桥梁加固后效果图

1.4 有限元建模

本桥为4跨悬链线空腹式多肋双曲拱桥，桥梁修建年代久远，原设计图纸缺失，根据现场情况，对第1和第4跨拱桥主拱圈拱肋拱轴线线形进行了测量，以主拱圈拱顶为坐标原点建立坐标系，沿桥梁纵向采用激光断面仪进行测量。从测试数据分析，主拱圈采用悬链线，实测第1跨和第4跨的净跨径L0分别为：9.38 m、9.40 m，净矢高f0分别为：1.14 m、1.19 m，并对测得的离散数据进行了曲线拟合，得到了本文主拱圈模型，桥梁的材质参数选取以及钢位置分布均采用现场实测值［5］。第1和第4跨主拱圈拱肋实测拱轴线示意图见图4～5。本文采用MIDAS/Civil 2012对该桥进行有限元模拟。全桥共建立节点数1 760个，有限元模型见图6。

图4 第1跨主拱圈拱肋拱轴线形示意图

图5 第4跨主拱圈拱肋拱轴线形示意图

图6 双曲拱桥有限元模型

2 荷载试验结果与分析

2.1 静力荷载试验内容及测点布置

根据本桥的受力特点，试验选择第1跨和第2跨结构作为试验跨，借助有限元模拟，计算典型截面在双曲拱桥粘贴钢板加固后设计荷载汽-20，挂-100作用下的内力值，依据弯矩等效的原则按最不利布载方式，在满足《规范》［6］荷载效率系数的前提下，确定以下静载内容：工况Ⅰ）第1跨拱圈拱顶截面（A-A）最大正弯矩；工况Ⅱ）第2跨拱圈肋拱顶截面（B-B）最大正弯矩；工况Ⅲ）第1跨拱圈肋拱脚附近截面（C-C）最大负弯矩；工况Ⅳ）第2跨拱圈拱脚附近截面（D-D）最大负弯矩；工况Ⅴ）第2跨拱圈拱脚附近截面（D-D）最大水平推力；通过对以上弯矩控制工况的试验加载（A至D截面位置见图1），得出表1所示弯矩和荷载效率系数。在各工况静力荷载试验中，采用吊锤和百分表对加载跨L/4、L/2、3L/4处及相邻跨L/2处1#、3#、5#、7#和9#主拱圈拱肋挠度进行测试。并在桥台C-C和桥墩D-D截面布置水平位移测点，采用百分表进行观测，挠度测点布置见图7。采用正弦式应变计对加载跨L/4、L/2、3L/4处、相邻跨L/2处以及加载跨拱脚位置1#、3#、5#、7#和9#主拱圈拱肋进行应变测试，应变测点布置见图8。

表1 试验截面的设计荷载计算值、试验荷载效应值及荷载效率系数

图7 双曲拱桥挠度测点横桥向布置图

图8 双曲拱桥应变测点横桥向布置图

2.2 静力荷载试验结果

2.2.1 挠度测试结果与分析

为了解双曲拱桥经过粘贴钢板加固后在加固设计荷载作用下的变形情况以及横向刚度，静力荷载试验在全桥9片主拱圈拱肋的1#、3#、5#、7#和9#拱肋布置了挠度测点。各控制截面在各试验加载工况荷载作用下实测挠度与理论计算值的比较如表2所示。

从表2可以看出，在工况Ⅰ～Ⅱ下主拱圈拱顶截面挠度校验系数分别为0.31～0.42、0.25～0.27；在工况Ⅲ～Ⅴ下主拱圈拱脚水平位移校验系数分别为0.17～0.33、0.55～0.60、0.68～0.79；各截面挠度校验系数均小于文献［6］规定值1.0；卸载后各截面相对残余变形均小于文献［6］规定值20%。试验结果表明：该双曲拱桥经过粘贴钢板加固后，在加固设计荷载试验工况下桥跨结构的挠度结构校验系数均处于合理范围，表明桥跨结构具有一定的刚度储备。

表2 各主要控制截面挠度实测值与理论计算值比较

2.2.2 应变测试结果与分析

为了解双曲拱桥经过粘贴钢板加固后在加固设计荷载作用下的应力应变情况，静力荷载试验在全桥9片主拱圈拱肋的1#、3#、5#、7#和9#拱肋布置了应变测点。各控制截面在各试验加载工况荷载作用下实测挠度与理论计算值的比较如表3所示。

从表3可以看出，在工况Ⅰ～Ⅴ下主拱圈拱顶截面应变校验系数分别为0.62～0.77、0.31～0.37、0.27～0.57、0.60～0.75、0.37～0.43；各截面应变校验系数均小于文献［6］规定值1.0；卸载后各截面相对残余变形均小于文献［6］规定值20%。试验结果表明：该双曲拱桥经过粘贴钢板加固后，在加固设计荷载试验工况下桥跨结构的应力应变结构校验系数均处于合理范围，表明桥跨结构具有一定的强度储备。

表3 各主要控制截面应变实测值与理论计算值比较

续表

2.2.3 裂缝及粘贴钢板效果观测

在各工况静载试验期间，进行了主拱圈、拱波和横隔板等构件的裂缝以及钢板粘结情况观测，由于该桥主拱圈拱肋、拱波、横隔板以及腹拱立墙被加固粘贴钢板包裹，裂缝情况无法细查，但粘贴钢板结合面未见钢板与混凝土剥离现象，粘贴效果良好。

2.3 动载试验结果

2.3.1 自振特性测试

桥梁自振频率与结构刚度有明确的关系，实测自振频率与计算频率相比较，实测频率大于计算频率时可认为桥梁结构实际刚度大于理论刚度，反之则实际刚度偏小［7］。本桥在自振频率测试前采用Midas civil 2012对桥梁进行自振特性理论计算分析，第1阶振型见图9，实测频率11.82 Hz，理论计算频率9.98 Hz，该结构的实测1阶频率高于理论计算1阶频率，表明桥梁加固后的结构刚度较好。

图9 双曲拱桥理论计算1阶振型图

2.3.2 无障碍行车测试

用1辆加载车分别以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h的车速通过该双曲拱桥，得到不同车速下B-B截面行车和刹车冲击系数见表4。从表4可以看出：B-B测试截面行车冲击系数最大值为1.11，对应车速为60 km/h；刹车冲击系数最大值为1.20，对应车速为30 km/h。两种条件下桥梁实测冲击系数都较小，与同类型桥梁相比，该桥梁结构的激振响应正常，桥梁行车性能良好。

表4 双曲拱桥第二跨B-B截面冲击系数

3 结论

通过对粘贴钢板加固后桥梁进行静载和动载试验，将实测数值与计算数值进行对比分析，得出以下结论：

（1）各试验工况静力荷载作用下，该粘贴钢板加固后双曲拱桥实测挠度值均小于理论计算值且残余变形较小，表明粘贴钢板加固后该桥总体刚度满足设计荷载要求且结构处于弹性工作状态；实测的应变值均小于理论计算应变值且残余应变值较小，表明粘贴钢板加固后该桥结构处于弹性工作状态且满足设计荷载要求。

（2）在各试验工况静力荷载试验期间，桥台和桥墩变位均较小，表明该桥加固后桥台和桥墩刚度满足要求。

（3）桥梁结构实测一阶自振频率较理论计算值大表明桥梁的结构刚度较大，动力性能良好；实测行车和刹车冲击系数较小，表明该桥梁结构的激振响应正常，桥梁行车性能良好。

（4）该双曲拱桥进过粘贴钢板加固后，桥梁结构具有一定的强度和刚度安全储备，满足加固后设计荷载等级“汽车-20，挂车-100”的使用要求。

［1］姚玲森.桥梁工程［M］.北京:人民交通出版社,1996.

［2］邓飞.某多跨双曲拱桥的荷载试验研究［J］.公路与汽运,2012（7）:217-220.

［3］黄志斌.基于荷载试验的空腹式双曲拱桥工作性能分析［J］.佛山科学技术学院学报:自然科学版,2016,34（4）:54-58.

［4］陈财焕.某双曲拱桥静力荷载试验方法研究［J］.福建交通科技,2016（3）:67-70.

［5］林鸣,陈康,赵少杰.旧双曲拱桥承载能力评定的研究［J］.湖南交通科技,2012,38（1）:59-62.

［6］交通运输部公路科学研究院.TG/TJ21-2011.公路桥梁承载能力检测评定规程［S］.北京:人民交通出版社,2011.

［7］长安大学.JTG/TJ21-01-2015.公路桥梁荷载试验规程［S］.北京:人民交通出版社,2016.

【责任编辑：周绍缨 410154121@qq.com】

Load test study of a double arch bridge strengthened with steel plate

LIUJie1，LI Guang-xin2
（1.Foshan HighwayEngineeringQualityMonitoring,Foshan 528000,China；2.Foshan Nanhai Construction Investment Co.Ltd ofFoshan Xi RailwayStation,Foshan 528000,China）

In this paper,a double arch bridge strengthened with steel plate in Foshan,Guangdong Province is used as the test object.The theoretical model is established byMIDAS/Civil 2012 finite element software.After static load and dynamic load test,we make a comparative analysis of numerical and theoretical values to assess the working condition and carrying capacity of the bridge.The results show that the reinforced steel plate can meet the design requirements ofreinforcement design and provide reference for the work performance analysis of the same type ofreinforced double arch bridge.

double arch bridge;strengthened with steel plate;work performance;load test

U445.72

A

1008-0171（2017）02-0036-06

2016-12-14

刘 杰（1985-），男，湖南常德人，佛山市公路工程质量监测所工程师。