王天晴 陳映棠 董立恒 王璀瑾

(1.山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001； 2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

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·橋梁·隧道·

多跨雙曲拱橋的加固和載荷試驗(yàn)

王天晴1陳映棠1董立恒2王璀瑾2

(1.山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001； 2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

結(jié)合某多跨雙曲拱橋的工程概況，從拱軸曲線方程、荷載計(jì)算、拱圈內(nèi)力等方面，分析了該橋的結(jié)構(gòu)性能，提出了拱橋加固的設(shè)計(jì)和施工方案，并通過(guò)載荷試驗(yàn)，驗(yàn)證了加固方案的有效性。

雙曲拱橋，載荷試驗(yàn)，加固設(shè)計(jì)，拱圈

0 引言

基于合理拱軸概念所設(shè)計(jì)的雙曲拱橋在二十世紀(jì)七八十年代得到了非常廣泛的應(yīng)用。在當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后、運(yùn)輸車輛荷載(集中荷載為主)相對(duì)較小、橋梁自重(均布荷載為主)所占比例較大的情況下，由于這種拱橋的拱軸線與均布荷載產(chǎn)生的軸向力較大、彎矩較小的內(nèi)力圖吻合較好，可以選擇較小的拱橋截面，且造價(jià)較低，因而得到了許多橋梁設(shè)計(jì)者的青睞。由于當(dāng)時(shí)缺乏建筑用鋼，這種拱軸可以充分發(fā)揮建造材料拉壓強(qiáng)度較高而抗拉強(qiáng)度較低的特性，能夠節(jié)省大量的鋼材，所以具有鮮明的時(shí)代特點(diǎn)，甚至同期還建造了大量的磚石雙曲拱橋。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在的橋梁使用荷載發(fā)生了根本性的變化。尤其是運(yùn)輸車輛荷載提高幅度很大，甚至由原來(lái)的數(shù)噸增加到現(xiàn)在的一兩百噸，所以這種拱橋的坍塌事故頻繁發(fā)生。分析原因可以歸結(jié)為：1)荷載幅度的大幅度提高；2)動(dòng)載頻度的增加使疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)加大；3)拱橋內(nèi)力性質(zhì)的變化(由受壓為主變?yōu)槭軓潪橹?；4)原橋梁設(shè)計(jì)構(gòu)件截面偏小，材料強(qiáng)度偏低，構(gòu)造不合理；5)橋梁已達(dá)或超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限，年久失修。

這種拱橋的拆除重建固然可行，但出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮和使用及建造工期的要求，大部分橋梁若能進(jìn)行必要的改造加固處理也能滿足現(xiàn)在的要求，而且成本較低。通過(guò)對(duì)某多跨雙曲拱橋的分析、計(jì)算，出具了加固設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了加固施工。為檢測(cè)加固效果，又進(jìn)行了原位加載試驗(yàn)。該橋再次投入使用數(shù)年表明，加固設(shè)計(jì)和施工是非常成功的?？偨Y(jié)和研究該橋的加固經(jīng)驗(yàn)有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程簡(jiǎn)介

某大橋?yàn)槎嗫珉p曲拱橋，分為10跨，每跨軸線距離為17.30 m，橋梁總長(zhǎng)度約為180 m，橋梁總寬度(含人行道)共約9.80 m，設(shè)雙向來(lái)往車道，車道寬度約為7.50 m。在橋?qū)挿较蚬苍O(shè)5條T型截面拱肋，肋距1 930 mm，拱肋之間由預(yù)制弧形板進(jìn)行連接。在拱肋之上設(shè)小立柱支承橋面梁，上鋪預(yù)制橋面板后再設(shè)整澆層。

橋拱支承于橫向橋墩大梁之上，下部每處支點(diǎn)由3根圓形立柱(樁)支承。該橋加固前后的外觀如圖1和圖2所示。

該橋始建于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)荷載為汽—20、掛—100。建成使用將近三十年后，通過(guò)檢測(cè)鑒定發(fā)現(xiàn)大橋出現(xiàn)多種安全隱患，主要表現(xiàn)為：1)主拱肋混凝土保護(hù)層不同程度的剝落；開(kāi)裂嚴(yán)重，有隨時(shí)坍塌危險(xiǎn)；2)主拱肋主筋嚴(yán)重銹蝕，截面損失率高達(dá)35.4%以上；3)弧形拱波板和小立柱存在混凝土開(kāi)裂，保護(hù)層剝落，鋼筋銹蝕缺陷；4)直接承受汽車荷載的橋面梁板破損嚴(yán)重，裂縫貫通，撓度超過(guò)限值；5)欄桿及其他附屬構(gòu)件破壞嚴(yán)重，甚至缺失。

基于不能中斷運(yùn)輸使用的考慮，經(jīng)過(guò)研究論證，認(rèn)為該橋具備加固后再投入使用的條件，于是針對(duì)上述5種隱患進(jìn)行了加固計(jì)算和方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了加固施工。施工完成之后又慎重地進(jìn)行了車輛載荷試驗(yàn)。目前，該橋經(jīng)過(guò)加固已使用5年，未再發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

2 橋梁分析

2.1 拱軸曲線方程

根據(jù)原有資料得到主拱圈的主要幾何參數(shù)：拱軸系數(shù)m=1.347；拱軸計(jì)算跨度L=16.473 m；拱軸計(jì)算矢高f=2.783 m。

拱軸按懸鏈線曲線方程為：

y=f(chka-1)/(m-1)。

其中，a=x/(L/2)=0.121x;k=ln[m+(m2-1)1/2]=0.811。

故拱軸曲線方程整理后為y=8.02[ch0.098x-1]。

亦即y=8.02[(e0.098x+e-0.098x)/2-1]。

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，上述拱軸曲線方程與實(shí)際較為吻合。若取拱軸系數(shù)為1，則可用二次拋物線作為拱軸曲線方程，本例中若采用二次曲線作為拱軸方程也與實(shí)測(cè)基本吻合，計(jì)算也較為簡(jiǎn)單。

2.2 荷載計(jì)算及拱圈內(nèi)力分析

主拱圈的加固是本次橋梁加固的關(guān)鍵所在，在內(nèi)力分析之前，需首先確定拱軸所承受的荷載，該荷載分為永久荷載和可變荷載兩種。在計(jì)入荷載分項(xiàng)系數(shù)和影響線得到了主拱圈的控制截面內(nèi)力。

1)永久荷載。永久荷載包括橋面結(jié)構(gòu)的面層、橋面板、蓋梁、拱波板、填充層、小立柱、主拱圈自重等。為使橋梁滿足加固后的承載要求，上述所有構(gòu)件均應(yīng)按加固后的預(yù)選截面計(jì)算，其中，橋面自重標(biāo)準(zhǔn)值約為30.3 kN/m2,主拱圈自重荷載約為10 kN/m,考慮相鄰拱肋中心距為1.93 m，故折算到單個(gè)拱圈上的水平線載標(biāo)準(zhǔn)值約為：

q恒=30.3 kN/m2×1.93 m+10 kN/m=68.5 kN/m。

2)可變荷載。本次加固的橋梁可變荷載分為汽車荷載和人群荷載，其中汽車荷載分布于車道范圍，人群荷載分布于人行道之間?？紤]人群荷載遠(yuǎn)小于車道荷載，選取一個(gè)主拱圈計(jì)算時(shí)，僅計(jì)算車道荷載的主拱圈，所有主拱圈均按相同截面和配筋設(shè)計(jì)。

本次汽車荷載按公路—Ⅰ級(jí)考慮，車道荷載的均布荷載為qk=10.5 kN/m,集中荷載按內(nèi)插計(jì)算得到pk=185.9 kN。本次為雙向行駛兩車道，橫向分布折減系數(shù)為1，折算到單個(gè)拱圈上的車道均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值和集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別為：

qk1=1.93×10.5=20.3 kN/m。

pk1=185.9×1.93/(2.5+0.6)=115.8 kN。

3)主拱圈控制截面內(nèi)力。因主拱圈與支座的關(guān)系從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際來(lái)看難以準(zhǔn)確地歸為鉸支或固接，為保證加固后的安全，按支座鉸支和固接兩種情況均能滿足的要求進(jìn)行內(nèi)力分析和加固改造設(shè)計(jì)。

拱圈的控制截面按支座、跨中和1/4跨處考慮，以減少計(jì)算工作量。主拱圈的內(nèi)力如表1和表2所示，其中的設(shè)計(jì)值計(jì)入了內(nèi)力分項(xiàng)系數(shù)，剪力設(shè)計(jì)值計(jì)入了車道集中荷載的1.2放大系數(shù)。集中荷載計(jì)入的是按影響線產(chǎn)生的最大內(nèi)力。表中彎矩、軸力、剪力單位分別為kN·m，kN，kN。彎矩以拱下受拉為正，軸力以受壓為正。

表1 兩端鉸支時(shí)主拱圈內(nèi)力表

表2 兩端固接時(shí)主拱圈內(nèi)力表

3 加固設(shè)計(jì)和施工

3.1 加固設(shè)計(jì)

在取得主拱圈上述各控制截面處的組合內(nèi)力之后，進(jìn)行了截面強(qiáng)度驗(yàn)算，繪制主拱圈擴(kuò)大截面加固圖如圖3～圖5所示。小立柱采用了四周擴(kuò)大斷面的加固方法。蓋梁和原橋面板在加大(加厚)原有截面后，形成了新的蓋梁和橋面板。為使原主要由預(yù)制構(gòu)件做成的橋梁整體性更好，新做了150厚橋面整澆層，內(nèi)配雙向雙層鋼筋網(wǎng)片。此外，新做了橋梁欄桿。為使主拱圈達(dá)到兩端固接效果，在其與橋臺(tái)連接部位1 500～2 700范圍采用逐步加大截面的方法，形成了事實(shí)上的加腋不等截面拱橋。

3.2 加固施工

為保證施工工期和澆筑質(zhì)量，所有的擴(kuò)大截面采用了高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿材料。擴(kuò)大截面的鋼筋采用了結(jié)構(gòu)膠植入的方法。主拱圈加固前、加固中和加固后的示意圖如圖6～圖8所示。

4 載荷試驗(yàn)

為了驗(yàn)證加固施工的效果，進(jìn)行了橋梁加載試驗(yàn)。加載車輛采用了總重38 t的三軸車輛。為使加載量不低于公路—Ⅰ級(jí)的荷載標(biāo)準(zhǔn)，采用同時(shí)布置四車且采用車尾對(duì)車尾的布載方式，如圖9所示。

加載過(guò)程中主要進(jìn)行了主拱肋的應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試、撓度變形測(cè)量。并對(duì)加固前后的橋拱自振頻率進(jìn)行了實(shí)測(cè)。載荷試驗(yàn)表明，主拱豎向位移較小，與理論計(jì)算較為吻合；主拱肋壓應(yīng)力遠(yuǎn)低于所采用的灌漿料的抗壓強(qiáng)度；加固前后對(duì)比，橋拱自振頻率由原來(lái)的6.015 Hz變?yōu)?.668 Hz。這些說(shuō)明橋梁剛度及整體性有較大提高，承載力顯著增強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)建于二十世紀(jì)七八十年代的雙曲拱橋絕大多數(shù)已不能滿足現(xiàn)在的使用條件，存在較大的安全隱患，必須引起人們的重視，應(yīng)進(jìn)行必要的檢測(cè)、鑒定和維護(hù)維修。

2)經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析計(jì)算和加固處理，既有的雙曲拱橋可以達(dá)到現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，并繼續(xù)發(fā)揮作用，與拆除新建相比采用加固處理更能獲得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

The strengthening and load test of multispan two-way curved arch bridge

Wang Tianqing1Chen Yingtang1Dong Liheng2Wang Cuijin2

(1.ShanxiAcademyofBuildingResearch,Taiyuan030001,China; 2.DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Combining with the multi-span two-way curved arch bridge engineering conditions, starting from aspects of arch axis curve equation, load calculation and internal arch ring force, the paper analyzes the bridge structure performance, puts forward the arch bridge reinforcement design and construction scheme, and finally testifies the reinforcement scheme effectiveness through load test.

two-way curved arch bridge, load test, reinforcement design, arch ring

1009-6825(2016)10-0145-03

2016-01-24

王天晴(1960- )，男，碩士，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師； 陳映棠(1981- )，男，碩士，工程師；

U445

A

董立恒(1992- )，男，在讀碩士； 王璀瑾(1990- )，女，在讀碩士