双曲拱桥加固前后荷载试验对比分析
2015-06-18
1 工程概况及病害描述
该双曲拱桥为3孔净跨径L0=40m的空腹式悬链线钢筋混凝土双曲拱桥，净矢跨比为f0/L0=1/8，设计拱轴系数m=3.5，设计荷载等级为汽-13，拖-60。桥面总宽7.0m，主拱圈宽度为10.05m，由7片C25钢筋混凝土拱肋和6个拱波组成，每片拱肋间设有10根15×25cm钢筋混凝土横系杆（1994年另加焊有4根角钢进行抗震加固），主拱圈厚度为1.15m，下部结构为片石混凝土重力式桥台，桥墩为沉井基础，均砌置在砂砾石基础上。
于2008年11月进行了结构检测，主要病害情况如下：
全桥拱肋、拱波等主拱圈出现多处裂缝；
拱肋局部混凝土脱落，箍筋及主筋外露且锈蚀严重；
部分横系梁与主拱肋接头处混凝土破碎，部分横系梁倾斜，全桥1994年加固的角钢均出现严重的锈蚀，部分角钢锈蚀断裂；
腹拱圈存在大量横向裂缝，大部分腹拱圈砌缝不饱满，出现大面积渗水；
桥面不平整，沥青混凝土表面处理老化，车辆直接作用在外露的碎石面层上。
2 加固设计
原桥设计荷载接近89规范中的汽-15，挂-80级荷载，在有限元模型中按照此荷载等级对原桥结构进行验算，结果表明主拱肋拱脚截面承载能力不能满足规范要求。为了改善结构受力性能，提高桥梁承载能力，对该桥进行了加固设计，本次加固设计的主要思路为：基于本桥已开展的调查及评估分析成果与结论，在不改变原有结构受力体系的情况下，首先对主拱及腹拱主要受力体系中已产生的损伤与缺陷进行维修与补强，增强结构受力的整体性，防止主要受力材料进一步劣化，在此基础上采取有效的加固方法提高桥梁损伤构件的承载能力，为改善主拱的受力性能，本次维修加固采用拆除桥面铺装和人行道系，重新浇筑桥面铺装层混凝土，安装新的人行道系。在此原则与思路下，形成以下具体的加固方法：
1、原桥腹拱圈砌体砌缝普遍不饱满，空隙率高，首先对砌缝采取压浆处理，以使砌缝饱满；
2、拆除桥面铺装和人行道系，增设新的横挑梁以加宽桥面，重新浇筑桥面铺装层混凝土，安装新的人行道系和排水系统；
3、对检测中发现的各类裂缝进行密封和修补处理；
4、为了提高主拱圈的承载能力，在空腹段的主拱肋采用套箍混凝土进行加固补强，拱背加厚20cm，在拱肋下缘加厚20cm，拱肋两侧加厚15cm，其中第一腹拱段拱波空心区域填实，实腹段仅对拱肋进行套箍加固，对所有横系梁下缘加厚40cm，两侧加厚10cm；
5、对腹拱拱圈采用U型套箍混凝土进行加固补强，套箍层混凝土厚度为15cm；
6、凿除原桥面铺装层，整治拱上填料，再放置预制的横挑梁加宽桥面，浇筑钢纤维混凝土铺装层，同时重新设置桥面排水系统，设置变形缝和伸缩缝。
3 加固前荷载试验
3.1 静载试验
3.1.1 荷载效率
原桥设计荷载为汽-13，拖-60，本次试验按照89规范中荷载较为接近的汽-15作为控制荷载，考虑到本桥运营时间较长，损伤较多，试验荷载效率控制在规范规定范围的下限值。经过计算分析，本次试验选取拱脚及拱顶两个内力控制截面共五个试验工况（包含偏载工况），试验车辆选取30T重双桥车。
3.1.2 测试截面及测点布置
应力测试截面为拱脚及拱顶截面，挠度测试截面为跨中截面。
3.1.3 挠度测试结果
测试截面各测点在试验荷载作用下的实测挠度与理论值比较见表3-2。表中的挠度值以向下为正，向上为负，梁的编号从下游侧开始，挠度单位为mm。拱顶控制截面在各中载工况下，各测点实测挠度值均小于理论值，挠度校验系数在0.74～0.89之间，处于拱桥结构挠度校验系数的正常范围，表明其刚度满足设计要求。从表中数据可以看出，横向增大系数较大，说明该桥横向联系较差，整体性不好。
3.1.4 应变测试结果
控制截面在试验荷载作用下应力试验值与计算值的比较见表3-4。测量应力计算中混凝土弹性模量按照设计混凝土250#进行计取，即E＝2.8×104MPa。表中数据以受压为负，受拉为正，单位均为MPa。表中数据可以看出，正载工况应力校验系数在0.41～0.95之间，处于拱桥结构应力校验系数的正常范围,表明其强度满足设计要求。
3.2 动载试验
动载试验主要包括：（1）脉动试验：桥梁结构的自振特性测试，采用环境激励法进行测试；（2）跑车试验：采用一辆载重300kN的试验车作为动力试验荷载，试验汽车分别以5km/h、 10km/h、20km/h、30km/h、 40km/h的速度无障碍匀速过桥激振。实测频率低于理论频率，说明桥梁实际刚度略小于计算模型。
不同车速下跨中截面的行车冲击系数见表3-6。按照文献[1]中规定，冲击系数（1+μ）理论值为1.26。从试验数据结果分析可以看出，跨中截面行车冲击系数最大数值为1.21，与理论值比较接近，属正常范围。
4 加固后荷载试验
4.1 静载试验
4.1.1 荷载效率
加固后设计荷载等级为：公路-I级，人群3.0kN/m2，桥面净宽：净-10米行车道+2×1.25（人行道+栏杆），主拱圈宽度为10.05m。经过计算分析，本次试验选取拱脚截面、L/4截面和拱顶截面作为内力控制截面，共六个试验工况（包含偏载工况），试验车辆选取42T重双桥车。
4.1.2 测试截面及测点布置
应力测试截面为拱脚截面、L/4截面及拱顶截面，挠度测试截面为跨中截面。
4.1.3 挠度测试结果
测试截面各测点在试验荷载作用下的实测挠度与理论值比较见表4-2。表中的挠度值以向下为正，向上为负，梁的编号从下游侧开始，挠度单位为mm。拱顶控制截面在各中载工况下，各测点实测挠度值均小于理论值，挠度校验系数在0.84～0.89之间，处于拱桥结构挠度校验系数的正常范围，表明其刚度满足设计要求。从数据可以看出，横向增大系数较加固前有所减小，说明所采取的加固方法提高了桥梁结构的整体性能。经过重复工况后，两次测量数据较吻合。试验前后对L/4及跨中各选取三条裂缝进行监控，均未发现裂缝有扩展现象。试验荷载卸载后结构无明显残余变形，表明结构在试验荷载下处于弹性工作状态。
4.1.4 应变测试结果
控制截面在试验荷载作用下应变试验值与计算值的比较见表4-4。表中数据以受压为负，受拉为正，单位均为με。表中数据可以看出，正载工况应力校验系数在0.43～0.96之间，处于拱桥结构应力校验系数的正常范围,表明其强度满足设计要求。
4.2 动载试验
实测频率大于理论频率，说明桥梁实际刚度大于计算模型。
不同车速下跨中截面的行车冲击系数见表4-6。按照文献[1]中规定，冲击系数（1+μ）理论值为1.27。从试验数据结果分析可以看出，跨中截面行车冲击系数最大数值为1.27，与理论值一致。
5 结论
由静载试验结果可知：挠度及应变实测值均小于理论计算值，加固后结构的强度和刚度均能满足公路-I级荷载的要求，达到了加固设计的预期目标，加固后实测结果的横向增大系数从1.62减小至1.38，说明采取的加固方法能够有效改善桥梁的横向性能，提高了结构的整体性。由动载试验数据可知：加固后桥梁的自振频率大于加固前，说明加固措施提高了桥梁刚度。综合分析可知：该桥梁加固效果明显，加固后的桥梁满足公路-I级荷载作用下的正常使用要求。
