雙曲拱橋加固前后荷載試驗(yàn)對(duì)比分析

1、<p>　　雙曲拱橋加固前后荷載試驗(yàn)對(duì)比分析</p><p>　　摘要：某雙曲拱橋于1973年建成，1994年對(duì)橫系梁加焊角鋼進(jìn)行抗震加固，由于重型運(yùn)礦車輛的長(zhǎng)期通行，運(yùn)營(yíng)35年期間積累了大量病害，為了解該橋的結(jié)構(gòu)性能和承載能力，保證該橋正常使用，對(duì)該橋進(jìn)行了加固，并對(duì)其加固前后進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，以測(cè)試其加固前后的實(shí)際承載力，檢驗(yàn)加固效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，此種雙曲拱橋加固方法加固效果明顯，其加固和評(píng)估方法可

2、對(duì)同類橋梁提供參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：雙曲拱橋；荷載試驗(yàn)；加固 </p><p>　　A double curved arch bridge was built in 1973, 1994 on the beam welding angle seismic strengthening, due to the long passage of heavy mineral tran

3、sport vehicle, the operating period of 35 years the accumulation of a large number of diseases, in order to understand the structural performance of the bridge and the bearing capacity of the bridge, to ensure the normal

4、 use of the bridge, the reinforcement, and the before and after the reinforcement of the load test, to test before and after reinforce</p><p>　　The double curved arch bridge; load test; reinforcement </p&

5、gt;<p>　　中圖分類號(hào)：TU997 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </p><p>　　1 工程概況及病害描述 </p><p>　　該雙曲拱橋?yàn)?孔凈跨徑L0=40m的空腹式懸鏈線鋼筋混凝土雙曲拱橋，凈矢跨比為f0/L0=1/8，設(shè)計(jì)拱軸系數(shù)m=3.5，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-13，拖-60。橋面總寬7.0m，主拱圈寬度為10.05m，由7片C25鋼筋混凝土拱肋和6個(gè)拱波組成，每片拱肋間

6、設(shè)有10根15×25cm鋼筋混凝土橫系桿（1994年另加焊有4根角鋼進(jìn)行抗震加固），主拱圈厚度為1.15m，下部結(jié)構(gòu)為片石混凝土重力式橋臺(tái)，橋墩為沉井基礎(chǔ)，均砌置在砂礫石基礎(chǔ)上。橋梁布置圖見圖1-1。 </p><p>　　圖1-1 雙曲拱橋橋立面布置圖 </p><p>　　于2008年11月進(jìn)行了結(jié)構(gòu)檢測(cè)，主要病害情況如下： </p><p>　　全橋

7、拱肋、拱波等主拱圈出現(xiàn)多處裂縫； </p><p>　　拱肋局部混凝土脫落，箍筋及主筋外露且銹蝕嚴(yán)重； </p><p>　　部分橫系梁與主拱肋接頭處混凝土破碎，部分橫系梁傾斜，全橋1994年加固的角鋼均出現(xiàn)嚴(yán)重的銹蝕，部分角鋼銹蝕斷裂； </p><p>　　腹拱圈存在大量橫向裂縫，大部分腹拱圈砌縫不飽滿，出現(xiàn)大面積滲水； </p><p>

8、;　　橋面不平整，瀝青混凝土表面處理老化，車輛直接作用在外露的碎石面層上。 </p><p><b>　　2 加固設(shè)計(jì) </b></p><p>　　原橋設(shè)計(jì)荷載接近89規(guī)范中的汽-15，掛-80級(jí)荷載，在有限元模型中按照此荷載等級(jí)對(duì)原橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明主拱肋拱腳截面承載能力不能滿足規(guī)范要求。為了改善結(jié)構(gòu)受力性能，提高橋梁承載能力，對(duì)該橋進(jìn)行了加固設(shè)計(jì)，本次加固

9、設(shè)計(jì)的主要思路為：基于本橋已開展的調(diào)查及評(píng)估分析成果與結(jié)論，在不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)受力體系的情況下，首先對(duì)主拱及腹拱主要受力體系中已產(chǎn)生的損傷與缺陷進(jìn)行維修與補(bǔ)強(qiáng)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力的整體性，防止主要受力材料進(jìn)一步劣化，在此基礎(chǔ)上采取有效的加固方法提高橋梁損傷構(gòu)件的承載能力，為改善主拱的受力性能，本次維修加固采用拆除橋面鋪裝和人行道系，重新澆筑橋面鋪裝層混凝土，安裝新的人行道系。在此原則與思路下，形成以下具體的加固方法： </p>&

10、lt;p>　　1、原橋腹拱圈砌體砌縫普遍不飽滿，空隙率高，首先對(duì)砌縫采取壓漿處理，以使砌縫飽滿； </p><p>　　2、拆除橋面鋪裝和人行道系，增設(shè)新的橫挑梁以加寬橋面，重新澆筑橋面鋪裝層混凝土，安裝新的人行道系和排水系統(tǒng)； </p><p>　　3、對(duì)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的各類裂縫進(jìn)行密封和修補(bǔ)處理； </p><p>　　4、為了提高主拱圈的承載能力，在空腹段的

11、主拱肋采用套箍混凝土進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，拱背加厚20cm，在拱肋下緣加厚20cm，拱肋兩側(cè)加厚15cm，其中第一腹拱段拱波空心區(qū)域填實(shí)，實(shí)腹段僅對(duì)拱肋進(jìn)行套箍加固，對(duì)所有橫系梁下緣加厚40cm，兩側(cè)加厚10cm； </p><p>　　5、對(duì)腹拱拱圈采用U型套箍混凝土進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，套箍層混凝土厚度為15cm； </p><p>　　6、鑿除原橋面鋪裝層，整治拱上填料，再放置預(yù)制的橫挑梁加寬橋面，

12、澆筑鋼纖維混凝土鋪裝層，同時(shí)重新設(shè)置橋面排水系統(tǒng)，設(shè)置變形縫和伸縮縫。 </p><p>　　3 加固前荷載試驗(yàn) </p><p><b>　　3.1 靜載試驗(yàn) </b></p><p>　　3.1.1 荷載效率 </p><p>　　原橋設(shè)計(jì)荷載為汽-13，拖-60，本次試驗(yàn)按照89規(guī)范中荷載較為接近的汽-15作為控制

13、荷載，考慮到本橋運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，損傷較多，試驗(yàn)荷載效率控制在規(guī)范規(guī)定范圍的下限值。經(jīng)過計(jì)算分析，本次試驗(yàn)選取拱腳及拱頂兩個(gè)內(nèi)力控制截面共五個(gè)試驗(yàn)工況（包含偏載工況），試驗(yàn)車輛選取30T重雙橋車。各試驗(yàn)工況及荷載效率見表3-1。 </p><p>　　表3-1 試驗(yàn)工況及效率系數(shù) </p><p>　　3.1.2 測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置 </p><p>　　應(yīng)力測(cè)試截面為

14、拱腳及拱頂截面，撓度測(cè)試截面為跨中截面，各截面測(cè)點(diǎn)布置見圖3-1。 </p><p>　　圖3-1 各測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm） </p><p>　　3.1.3 撓度測(cè)試結(jié)果 </p><p>　　測(cè)試截面各測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測(cè)撓度與理論值比較見表3-2。表中的撓度值以向下為正，向上為負(fù)，梁的編號(hào)從下游側(cè)開始，撓度單位為mm。拱頂控制截面在各中載工況下

15、，各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度值均小于理論值，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.74～0.89之間，處于拱橋結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)的正常范圍，表明其剛度滿足設(shè)計(jì)要求。偏載工況下跨中截面的實(shí)測(cè)撓度見表3-3，從表中數(shù)據(jù)可以看出，橫向增大系數(shù)較大，說明該橋橫向聯(lián)系較差，整體性不好。 </p><p>　　表3-2 實(shí)測(cè)撓度與理論值 </p><p>　　3.1.4 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果 </p><p>　　控制

16、截面在試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值的比較見表3-4。測(cè)量應(yīng)力計(jì)算中混凝土彈性模量按照設(shè)計(jì)混凝土250#進(jìn)行計(jì)取，即E＝2.8×104MPa。表中數(shù)據(jù)以受壓為負(fù)，受拉為正，單位均為MPa。表中數(shù)據(jù)可以看出，正載工況應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.41～0.95之間，處于拱橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)的正常范圍,表明其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。 </p><p>　　表3-4 各中載工況實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論值 </p><

17、;p><b>　　3.2 動(dòng)載試驗(yàn) </b></p><p>　　動(dòng)載試驗(yàn)主要包括：（1）脈動(dòng)試驗(yàn)：橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性測(cè)試，采用環(huán)境激勵(lì)法進(jìn)行測(cè)試；（2）跑車試驗(yàn)：采用一輛載重300kN的試驗(yàn)車作為動(dòng)力試驗(yàn)荷載，試驗(yàn)汽車分別以5km/h、 10km/h、20km/h、30km/h、 40km/h的速度無障礙勻速過橋激振。實(shí)測(cè)頻率與理論值比較見表3-5，實(shí)測(cè)頻譜圖見圖3-2。實(shí)測(cè)頻率低于

18、理論頻率，說明橋梁實(shí)際剛度略小于計(jì)算模型。 </p><p>　　表3-5 自振頻率實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比 </p><p>　　圖3-2 自振頻率實(shí)測(cè)頻譜圖 </p><p>　　不同車速下跨中截面的行車沖擊系數(shù)見表3-6。按照文獻(xiàn)[1]中規(guī)定，沖擊系數(shù)（1+μ）理論值為1.26。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以看出，跨中截面行車沖擊系數(shù)最大數(shù)值為1.21，與理論值比較接近，屬

19、正常范圍。 </p><p>　　表3-6 實(shí)測(cè)跨中截面沖擊系數(shù)（1+μ） </p><p>　　4 加固后荷載試驗(yàn) </p><p><b>　　4.1 靜載試驗(yàn) </b></p><p>　　4.1.1 荷載效率 </p><p>　　加固后設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為：公路-I級(jí)，人群3.0kN/m2，橋

20、面凈寬：凈-10米行車道+2×1.25（人行道+欄桿），主拱圈寬度為10.05m。經(jīng)過計(jì)算分析，本次試驗(yàn)選取拱腳截面、L/4截面和拱頂截面作為內(nèi)力控制截面，共六個(gè)試驗(yàn)工況（包含偏載工況），試驗(yàn)車輛選取42T重雙橋車。各試驗(yàn)工況及荷載效率見表4-1。 </p><p>　　表4-1 試驗(yàn)工況及效率系數(shù) </p><p>　　4.1.2 測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置 </p>&

21、lt;p>　　應(yīng)力測(cè)試截面為拱腳截面、L/4截面及拱頂截面，撓度測(cè)試截面為跨中截面，各截面測(cè)點(diǎn)布置見圖4-1。 </p><p>　　圖4-1 各測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm，括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為L(zhǎng)/4截面） </p><p>　　4.1.3 撓度測(cè)試結(jié)果 </p><p>　　測(cè)試截面各測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測(cè)撓度與理論值比較見表4-2。表中的撓度值以向下為正

22、，向上為負(fù)，梁的編號(hào)從下游側(cè)開始，撓度單位為mm。拱頂控制截面在各中載工況下，各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度值均小于理論值，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.84～0.89之間，處于拱橋結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)的正常范圍，表明其剛度滿足設(shè)計(jì)要求。偏載工況下跨中截面的實(shí)測(cè)撓度見表4-3，從表中數(shù)據(jù)可以看出，橫向增大系數(shù)較加固前有所減小，說明所采取的加固方法提高了橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能。經(jīng)過重復(fù)工況后，兩次測(cè)量數(shù)據(jù)較吻合。試驗(yàn)前后對(duì)L/4及跨中各選取三條裂縫進(jìn)行監(jiān)控，均未發(fā)現(xiàn)裂縫有擴(kuò)

23、展現(xiàn)象。試驗(yàn)荷載卸載后結(jié)構(gòu)無明顯殘余變形，表明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載下處于彈性工作狀態(tài)。 </p><p>　　表4-2 實(shí)測(cè)撓度與理論值 </p><p>　　4.1.4 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果 </p><p>　　控制截面在試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)變?cè)囼?yàn)值與計(jì)算值的比較見表4-4。表中數(shù)據(jù)以受壓為負(fù)，受拉為正，單位均為με。表中數(shù)據(jù)可以看出，正載工況應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.43～0.96之間

24、，處于拱橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)的正常范圍,表明其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。 </p><p>　　表4-4 各中載工況實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論值 </p><p><b>　　4.2 動(dòng)載試驗(yàn) </b></p><p>　　實(shí)測(cè)頻率與理論值比較見表4-5，實(shí)測(cè)頻譜圖見圖4-2。實(shí)測(cè)頻率大于理論頻率，說明橋梁實(shí)際剛度大于計(jì)算模型。 </p><p&

25、gt;　　表4-5 自振頻率實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比 </p><p>　　圖4-2 自振頻率實(shí)測(cè)頻譜圖 </p><p>　　不同車速下跨中截面的行車沖擊系數(shù)見表4-6。按照文獻(xiàn)[1]中規(guī)定，沖擊系數(shù)（1+μ）理論值為1.27。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以看出，跨中截面行車沖擊系數(shù)最大數(shù)值為1.27，與理論值一致。 </p><p>　　表4-6 實(shí)測(cè)跨中截面沖擊系數(shù)（1+μ

26、） </p><p><b>　　5 結(jié)論 </b></p><p>　　由靜載試驗(yàn)結(jié)果可知：撓度及應(yīng)變實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，加固后結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均能滿足公路-I級(jí)荷載的要求，達(dá)到了加固設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，加固后實(shí)測(cè)結(jié)果的橫向增大系數(shù)從1.62減小至1.38，說明采取的加固方法能夠有效改善橋梁的橫向性能，提高了結(jié)構(gòu)的整體性。由動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：加固后橋梁的自振頻率大于

27、加固前，說明加固措施提高了橋梁剛度。綜合分析可知：該橋梁加固效果明顯，加固后的橋梁滿足公路-I級(jí)荷載作用下的正常使用要求。 </p><p><b>　　[參考文獻(xiàn)] </b></p><p>　　[1] 交通部公路科學(xué)研究所.大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法[M].北京：人民交通出版社，1982. </p><p>　　[2] JTG D60-20