刚架拱桥旧桥加固方案论证分析

李油油,张鸿志

(河南省交通规划设计研究院股份有限公司,河南 郑州 451450)

1 桥梁概况

天桥全长75.04 m,桥跨结构为一孔60 m刚架拱,矢跨比1/10;上部承重构造为钢筋混凝土刚架拱桥,横向布置3道拱片,下部构造为钢筋混凝土U型桥台,刚性扩大基础,桥面铺装类型为防水混凝土,桥面总宽7.5 m(车行道)+2×0.5 m(混凝土护栏)。设计荷载:汽-20、挂-100。于2007年9月建成通车。

2 桥梁病害

2020年9月份的桥梁定检报告中,桥梁的主要病害为:弦杆U形、竖向裂缝;实腹段跨中U形、竖向开裂;横系梁竖向裂缝;微弯板横向裂缝;大、小节点开裂、锈蚀;桥面破损露筋和大面积网裂。该天桥桥梁技术状况评分Dr为56.0分,属于4类桥梁。

3 荷载试验结果

3.1 试验断面

根据在荷载作用下主梁的轴力、弯矩、剪力、位移、应力包络图,该天桥测试截面见图1。

图1 应力测试截面布置图

3.2 荷载工况

加载工况见表1。

表1 试验加载工况

3.3 试验结果

(1)在试验荷载作用下,受力控制断面的实测应力均小于计算值,实测应力在正常范围之内,表明结构强度满足设计要求。

(2)在试验荷载作用下,各跨跨中挠度测试结果均小于计算值,校验系数在0.64～0.79之间,实测挠跨比小于规范限值(L/600),表明结构抗弯刚度满足设计和规范要求。

(3)在拱顶最大正弯矩工况满载作用下,0～3#拱脚位移0.24 mm,0～1#、0-2#拱脚位移均为0.00 mm。

(4)加载过程中,对控制截面进行观测,在拱顶最大正弯矩工况满载作用下,原有裂缝宽度增大0.06 mm(裂缝位于拱顶合拢段接缝位置),卸载后裂缝宽度变化量为0.00 mm,裂缝完全恢复初始状态。

(5)该桥一阶竖向振动基频为2.93 Hz,实测值大于计算值2.06 Hz,桥梁竖向动力刚度满足要求。

(6)实测冲击系数最大值为0.41,设计值0.17,大于设计值。

桥梁应力、变形测试结果表明:总体上,实测结果与计算值有很好的吻合性,桥梁结构工作状况处于弹性范围,桥梁实际强度、刚度和承载能力满足原设计及规范要求。但该桥冲击效应较大,主梁振动明显,说明该桥正常工作状态下的动力性能较差。

4 病害成因分析

4.1 受力分析

从刚架拱的受力状态中可以得出:外弦杆为纯受弯构件;内弦杆及实腹段主要为弯、压构件;大、小节点处负弯矩较大;拱脚及斜撑主要以受压为主,为小偏心受压构件。

从以上对各构件的受力分析得出,刚架拱桥的受力薄弱点主要为:实腹段跨中截面下缘,弦杆跨中截面下缘;大、小节点截面上缘。

4.2 病害影响因素

(1)设计因素:刚架拱桥的诞生与广泛应用是因为其结构形式优美、受力合理、节省材料等优点,但当时对该结构的认知并不全面,因此在后来的运营过程中,该结构的缺点逐渐暴露,不符合可持续发展的设计理念。虽然在后续的新规范中逐渐完善该结构的设计理念,但已修建桥梁的弊端仍然存在。

(2)相关参数取值差异:根据有关学者研究[2]早期刚架拱桥的冲击系数取值采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ 023—1985),与《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)相比冲击系数相差185%～231%。冲击系数取值较小,导致该桥正常工作状态下的动力性能较差,一定程度上诱发裂缝产生。

(3)重载车辆:根据调查该桥周围存在工厂,长期的重载交通是导致该桥出现结构性病害的主要原因。

(4)结构整体性差:由该桥的检测报告可知,该桥横系梁产生竖向裂缝,致使拱片之间的横向联系减弱,影响拱片之间的协同作用。

5 加固改造方案

5.1 加固思路

(1)加强桥梁体刚度及抗弯承载力。

(2)减桥梁正常运营时上部活荷载。

(3)不采用增大截面法加固时,尽量不增加桥梁自重。

5.2 加固原则

(1)加固设计方案应针对桥梁病害,有效改善桥梁整体受力状态。

(2)安全性原则。考虑方案优点的同时,综合考虑方案的缺点可能会对桥梁造成的不利影响。所采用的方案尽量不会产生新增病害。

(3)方便施工原则。加固方案应充分考虑桥梁的地理位置,对于跨线天桥尽可能考虑桥下交通运营安全及施工难度、工期。

(4)经济性原则。在满足桥梁可以正常安全运营的前提下,综合考虑桥梁的设计安全等级、加固的经济性及交通量情况,选择最优方案,避免不必要的浪费。

5.3 加固方案

依据加固目标及加固原则,考虑增大截面加固方案[3]对桥下高速安全运营影响较大,且施工条件及难度较大。刚架拱桥结构加固改造,同时采用粘贴钢板加固法[4]与减小桥梁上部活载方案。

(1)粘贴钢板加固

粘贴钢板法加固原理[5];将钢板粘贴在构件受力薄弱边缘,与构件共同受力,可有效减小构件受力边缘的应力、应变及抑制裂缝发展,钢板与构件之间通过胶体进行有效黏结。

粘贴钢板加固构件主要有:弦杆、拱腿、斜撑、拱片、横向联系及微弯板。

(2)减小车辆荷载方案

采用缩减车行道宽度的方案进行处治,桥面布置形式改为:0.5 m桥梁混凝土护栏+1.5 m人行道+0.25 m车行道护栏+4 m车行道+0.25 m车行道护栏+1.5 m人行道+0.5 m桥梁混凝土护栏。车行道混凝土护栏高0.4 m,宽0.25 m。减小桥面铺装的厚度,来消除车行道护栏重量,从而达到不增加桥梁上部结构自重的原则。

(3)混凝土表面开裂、破损处治方案

根据《公路桥梁加固设计规范》(JTG/TJ22—2008)规定:宽度小于0.15 mm裂缝采用表面封闭法;裂缝较深、宽度大于等于0.15 mm采用压力灌注法。

对于混凝土破损露筋处治方案为[6]:对破损位置进行清理,对锈蚀钢筋进行除锈阻锈,然后采用环氧砂浆进行表面修补。

6 结构有限元建模

6.1 有限元模型建立

采用有限元软件midas civil建立刚架拱桥模型,全桥共计265个节点,242个单元。拱腿、斜撑与桥台的连接为固定铰接,与弦杆的连接为刚性连接。单元材料采用C40混凝土,二期铺装采用均布荷载形式布置。

6.2 设计参数及设计荷载

(1)设计考虑荷载

加固前主要考虑:结构自重、车道荷载与温度荷载。其中,结构自重系数取1.04;车道按2车道布置;温度荷载按照升温20 ℃,降温-20 ℃考虑。

加固后主要考虑:结构自重、车道荷载、人群荷载与温度荷载。其中,车道荷载按1车道布置,人群荷载取3.0 km/m2。

(2)荷载组合

荷载组合采用《公路桥涵设计通用规范》(JTJ 021—89)。

6.3 加固前后对比分析

由于模型节点单元较多,因此选取关键节点数据进行对比分析。根据第4章刚架拱结构受力分析,选取刚架拱受力薄弱截面,如:拱脚截面、大节点、小节点、实腹段跨中截面、外弦杆跨中截面。

(1)位移对比分析

结构位移能够反映结构的受力状态,根据加固前后位移对比可得:加固后实腹段跨中截面位移减小较为明显,3号拱片实腹段跨中竖向位移减少35.7%,2号拱片实腹段跨中竖向位移减少16.7%;3号拱片大节点处竖向位移减少50%,2号拱片大节点处竖向位移减少35.2%;3号拱片小节点处竖向位移减少50%,2号拱片小节点处竖向位移减少33.3%;3号外弦杆跨中竖向位移减少66.7%,2号外弦杆跨中竖向位移减少40%。因此可得,该加固方式可以有效的改善桥梁的受力状态,有利于后期桥梁的安全运营。加固前后桥梁位移对比表见表2。

表2 加固前后位移对比表 单位:mm

(2)弯矩对比分析

根据各关键截面弯矩分析,可以得出加固前实腹段跨中弯矩大于截面抗力,不满足结构受力特性。加固后实腹段跨中截面弯矩小于截面抗力,跨中最大弯矩减小20%,抗力增加26%,安全系数由0.73提高至1.15。加固前后桥梁关键截面弯矩具体值见表3、表4。

表3 加固前桥梁关键截面弯矩单位:kN·m

7 加固后评价

根据有限元模型计算可以得出,采用粘贴钢板及减小桥梁活荷载的方案可以有效减小桥梁的整体受力性能。实腹段跨中截面最大竖向位移减小35.7%,跨中最大弯矩减小20%,抗力增加26%,完全系数由0.73提高至1.15。

根据养护部门提供的最新检测报告,该桥加固后,结构整体受力性能明显得到改善,3、4类受力构件已全部消除,特别是拱片及大、小节点的受力得到了明显改善。该桥的桥梁技术状况等级评为1类,未见桥梁有新的结构性病害产生,加固效果较为显著。

8 结 论

(1)根据刚架拱的受力状态得出:外弦杆为纯受弯构件,内弦杆及实腹段为弯、压构件,拱脚及斜撑为小偏心受压构件。

(2)桥梁加固从增加桥梁自身结构承载力及减轻上部活荷载两个方面同时出发,其加固效果更为显著。可较大程度减小桥梁跨中竖向位移;减小实腹段跨中截面最大弯矩,提升截面抗力;提升桥梁安全系数,使桥梁具有一定的超载潜力,保障桥梁的安全运营。