鐘國(guó)東，程浩波

(1.廣東交科檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510550；2.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420)

0 引言

雙曲拱橋是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的拱橋形式，其外形在橋梁縱、橫兩個(gè)方向上均為橋拱，主要特點(diǎn)是主拱圈由拱肋、拱波、拱板和橫向聯(lián)系構(gòu)件等部分組成，以“集零為整”的方式組合成整體結(jié)構(gòu)承重，充分發(fā)揮了預(yù)制裝配的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)辟了拱橋無(wú)拱架施工的新工藝[1-2]。由于可節(jié)省拱架材料、施工進(jìn)度快、造型美觀等特點(diǎn)，上個(gè)世紀(jì)六七十年代雙曲拱橋在全國(guó)范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。因主拱圈由多個(gè)構(gòu)件按一定的順序組合而成，接縫多，截面分階段受力，導(dǎo)致整體性弱。實(shí)踐表明，雙曲拱橋多數(shù)病害是由于拱肋橫向連接性能弱、拱板剛度不均所致。我國(guó)現(xiàn)存的雙曲拱橋基本是在上個(gè)世紀(jì)60～80年代修建的，由于設(shè)計(jì)荷載等級(jí)低、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足、施工技術(shù)落后、細(xì)節(jié)處理不當(dāng)?shù)仍?，不少雙曲拱橋出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的開(kāi)裂，使其承載能力受到影響，存在安全隱患，不適應(yīng)日益增長(zhǎng)的交通量及車(chē)輛載重。因此，有必要對(duì)該類(lèi)橋梁進(jìn)行深入分析[3-5]。

本文以G236國(guó)道彭坑大橋64m跨雙曲拱橋?yàn)槔?，?duì)其承載能力、病害進(jìn)行分析，并提出維修養(yǎng)護(hù)的對(duì)策。

1 工程概況

彭坑大橋位于河源市龍川縣境內(nèi)的G236線上，橋梁全長(zhǎng)301.8m，橋?qū)?m，雙向兩車(chē)道。該橋第5跨為雙曲拱橋，實(shí)測(cè)凈跨64m，矢高9.06m，矢跨比1/7.06，無(wú)鉸拱受力體系。拱軸為懸鏈線，拱圈為變高度多肋多波結(jié)構(gòu)，拱肋間設(shè)置12道橫隔板，上部為空腹式鋼筋混凝土板式拱上建筑，跨中拱腔填砂礫土。橋墩為單向推力墩，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，置于基巖上。橋面采用水泥混凝土。設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽-15，掛-80，人群2.5kN/m2。雙曲拱立面及現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1和圖2所示。

圖1 雙曲拱橋立面

圖2 雙曲拱橋現(xiàn)場(chǎng)

根據(jù)2019年、2021年的檢測(cè)報(bào)告[6-7]，該雙曲拱橋技術(shù)狀況評(píng)定為四類(lèi)。該橋于1973年建造，時(shí)間遠(yuǎn)久，資料不全，難以準(zhǔn)確判斷其能否承受預(yù)定的荷載，因此擬通過(guò)荷載試驗(yàn)判斷該橋?qū)嶋H的技術(shù)狀況。

2 橋梁荷載試驗(yàn)[8]

2.1 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)的荷載按控制內(nèi)力、應(yīng)力或變位等效原則確定，要求荷載效率介于0.95～1.05之間。通過(guò)分級(jí)加載，測(cè)定橋梁控制截面在試驗(yàn)荷載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)橋梁的技術(shù)狀況和承載能力。

2.1.1 工況設(shè)置

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?、?guī)范要求及現(xiàn)場(chǎng)條件，采用橫向中載的加載模式進(jìn)行本次靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)采用4輛重約25t的車(chē)輛分級(jí)加載，加載車(chē)的布置如圖3和圖4所示。根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置三種工況：

(1)工況一：拱頂最大正彎矩，測(cè)試A截面的應(yīng)變、裂縫。

(2)工況二：拱頂最大撓度，測(cè)試A截面的撓度。

(3)工況三：拱腳最大負(fù)彎矩，測(cè)試B截面的應(yīng)變。

圖3 工況1、2加載車(chē)布置(單位：cm)

圖4 工況3最不利加載車(chē)布置(單位：cm)

圖5 測(cè)點(diǎn)布置立面(單位：cm)

2.1.2 計(jì)算模型的建立

彭坑大橋雙曲拱橋采用Midas/Civil三維有限元程序進(jìn)行建模分析。該模型(圖6)的特點(diǎn)：

(1)由于設(shè)計(jì)、竣工資料不全，采取實(shí)測(cè)拱軸線和尺寸建立模型，考慮拱上建筑聯(lián)合作用。

(2)考慮建橋時(shí)施工階段對(duì)構(gòu)件受力的影響，先拱圈后拱上建筑；拱圈采取施工階段聯(lián)合截面模擬，先拱肋后拱板形成整體截面。

(3)由于拱波通過(guò)砂漿與拱肋連接，且部分拱波開(kāi)裂，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，拱波配筋少，不考慮拱波參與拱圈受力。

(4)拱肋為素混凝土結(jié)構(gòu)，拱板局部配有少量構(gòu)造鋼筋，因此按圬工結(jié)構(gòu)計(jì)算。

(5)原設(shè)計(jì)采用單向推力墩，根據(jù)管養(yǎng)單位提供的資料，并實(shí)測(cè)橋墩位置與竣工圖對(duì)比，橋墩無(wú)明顯水平位移，拱腳采用固結(jié)的邊界條件。

(6)有限元模型采用梁格體系，拱上簡(jiǎn)支板梁采用鉸接邊界。

圖6 三維有限元模型

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3.1 拱頂應(yīng)變

A截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)采用粘貼電阻應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)試，各級(jí)荷載作用下截面的應(yīng)變變化與恢復(fù)情況見(jiàn)表1。

表1A截面應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

(單位：με)

拱肋滿(mǎn)載完全卸載彈性應(yīng)變平均值理論值校驗(yàn)系數(shù)相對(duì)殘余應(yīng)變/(%)3#280283012928530.530.03.34#32-33525-32832530.60-9.4-12.0

2.1.3.2 拱頂裂縫

在試驗(yàn)過(guò)程中，選取典型的裂縫布設(shè)振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，觀測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中裂縫的變化情況。本工況在A截面附近選取3條典型裂縫(圖7)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖7 裂縫監(jiān)測(cè)

裂縫編號(hào)寬度/長(zhǎng)度初讀六級(jí)加載一級(jí)卸載完全卸載AL13/14400.0000.0990.0510.011AL20.16/640.0000.0180.002-0.001AL30.14/640.0000.081-0.008-0.007

2.1.3.3 拱頂撓度

經(jīng)過(guò)墩頂?shù)某两底冃涡拚?，控制拱肋A截面滿(mǎn)載作用下的撓度見(jiàn)表3。

表3 控制拱肋A截面的撓度 (單位：mm)

2.1.3.4 拱腳應(yīng)變

測(cè)試在各級(jí)荷載作用下B截面的應(yīng)變變化與恢復(fù)情況，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 B截面應(yīng)變測(cè)試結(jié)果 (單位：με)

2.1.4 靜載試驗(yàn)分析[9]

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，各工況檢驗(yàn)系數(shù)均滿(mǎn)足《評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》“<1”的要求，卸載后殘余應(yīng)變均滿(mǎn)足《評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》“<20%”的要求，卸載后所監(jiān)測(cè)的裂縫基本能夠恢復(fù)，該橋?qū)嶋H工作狀況優(yōu)于理論，結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下處于彈性工作狀態(tài)。應(yīng)變檢驗(yàn)系數(shù)<0.7，表明材料的實(shí)際強(qiáng)度和彈性模量較大。

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與橋梁的結(jié)構(gòu)形式、剛度、約束條件、質(zhì)量及其分布相關(guān)，它是評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)性能的重要參數(shù)，通常由橋梁動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試確定。本橋動(dòng)載試驗(yàn)采用脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

根據(jù)脈動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)前三階頻率實(shí)測(cè)值均大于理論值，表明該橋的實(shí)際剛度大于理論剛度。

表5 前三階自振參數(shù)實(shí)測(cè)值與理論值

圖8 雙曲拱橋前三階理論模態(tài)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

綜上所述，通過(guò)靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)并結(jié)合有限元對(duì)比分析，橋梁實(shí)際剛度大于理論剛度，實(shí)際工作狀態(tài)優(yōu)于理論狀態(tài)，在原設(shè)計(jì)荷載作用下橋梁處于彈性工作狀態(tài)，即該雙曲拱橋滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)荷載的要求。

3 橋梁病害分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

(1)拱肋基本良好，無(wú)裂縫，各拱肋線形均平順、無(wú)異常拐點(diǎn)；3道拱波存在縱裂，裂縫位于拱波頂部，縫寬0.3～3.0mm，伴有滲水結(jié)晶；拱圈拱背共存在2條縱裂，縫寬0.16～1.00mm(圖9)。

圖9 拱波縱裂

(2)4道橫隔板共存在5條豎裂，個(gè)別延伸至底面，形成“L、U”型裂縫，縫寬0.08～0.16mm(圖10)。

圖10 橫隔板豎裂

(3)拱上立柱主要存在局部破損、露筋和少量豎裂，各橋面板中線均存在1或2條縱裂，4跨橋面存在7處破損露筋，2跨橋面板底部存在大面積麻面。

(4)橋面存在大面積網(wǎng)狀裂縫，伴有啃邊、破損等現(xiàn)象(圖11)。

圖11 橋面破損

(5)橋墩未見(jiàn)明顯的傾斜、滑移等現(xiàn)象。

3.2 病害成因

3.2.1 拱波頂部縱裂

在汽車(chē)荷載作用下，相鄰拱肋的豎向變形差，導(dǎo)致拱波頂部產(chǎn)生較大的彎矩。拱波與拱板無(wú)相應(yīng)的連接措施，兩者未形成整體受力，拱波厚度僅8cm，其承載能力不足以抵抗彎矩，導(dǎo)致開(kāi)裂。拱肋長(zhǎng)期往返變形，使拱波脆斷。

3.2.2 橫隔板豎裂

4道存在豎裂的橫隔板均位于拱跨中間，該處拱跨為實(shí)腹段，直接承受車(chē)輛荷載的沖擊，拱肋反復(fù)變形大。橫隔板尺寸偏小及分布筋配置不足，導(dǎo)致開(kāi)裂。其縫寬小，屬于鋼筋混凝土正常的開(kāi)裂現(xiàn)象。

3.2.3 橋面破損

橋面破損集中在拱跨中間，與拱波縱裂范圍一致，是由于超載車(chē)輛作用下拱肋豎向變形不協(xié)調(diào)形成不均勻沉降，橋面混凝土鋪裝未配筋導(dǎo)致破損。

4 養(yǎng)護(hù)對(duì)策建議

根據(jù)彭坑大橋雙曲拱承載能力評(píng)估及病害分析以及雙曲拱整體狀況良好的實(shí)際情況，本文提出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)對(duì)策建議：

(1)拱圈在汽-15、掛-80荷載等級(jí)作用下，承載能力和正常使用極限狀態(tài)均符合規(guī)范要求，橋梁可維持原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)使用。

(2)病害集中在跨中，主要內(nèi)因?yàn)殡p曲拱整體性差，拱肋在1/4～3/4跨范圍變形差較大，使各組成構(gòu)件存在不均勻沉降，從而導(dǎo)致病害發(fā)生。因此，需加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性能，重做鋼筋混凝土橋面，也可同時(shí)增設(shè)拱肋橫隔板，或?qū)ΜF(xiàn)有橫隔板、拱肋和拱波底部外包鋼筋混凝土增大截面補(bǔ)強(qiáng)。

(3)根據(jù)業(yè)主提供的信息及實(shí)地調(diào)查，近幾年過(guò)橋車(chē)輛主要為砂石、鋼材等運(yùn)輸車(chē)輛，其載重遠(yuǎn)超橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)。查閱往年的檢測(cè)報(bào)告，拱波、橫隔板裂縫多數(shù)為新增病害，可見(jiàn)超載是本橋病害的主要外因。因此，建議對(duì)過(guò)橋車(chē)輛進(jìn)行限載，在橋頭設(shè)置限高架和限載、限速標(biāo)志。

(4)本橋于20世紀(jì)70年代建成，雙曲拱原設(shè)計(jì)為80m跨，施工期間調(diào)整為64m，拱肋維持原80m跨尺寸，拱板調(diào)整為填平式，橋墩改為單向推力墩。因此，橋梁結(jié)構(gòu)本身具有一定的承載富余。但考慮到橋梁營(yíng)運(yùn)已久，材料存在老化的現(xiàn)象，且圬工結(jié)構(gòu)在重載車(chē)輛振動(dòng)作用下易損壞，故需加強(qiáng)橋梁的日常巡查和養(yǎng)護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

目前多數(shù)雙曲拱橋位于山區(qū)的低等級(jí)公路，難于控制通行車(chē)輛的載荷，基于此，結(jié)合雙曲拱橋的受力特征和常見(jiàn)病害，對(duì)該類(lèi)橋型的維修加固進(jìn)行總結(jié)。

(1)主拱圈強(qiáng)度不足時(shí)，可采取加大拱圈截面或粘貼鋼板進(jìn)行加固。若恒載過(guò)大，可更改拱上建筑結(jié)構(gòu)形式，減小拱上重量。

(2)拱圈加大截面時(shí)，拱背加固作業(yè)條件好，施工質(zhì)量易于保證；拱底或側(cè)面加固時(shí)，宜采用支架現(xiàn)澆鋼筋混凝土，若采取掛網(wǎng)噴射混凝土，應(yīng)加強(qiáng)施工控制。

(3)拱頂范圍正彎矩較大，拱肋下緣變化平順，可采用粘貼鋼板法進(jìn)行加固；拱跨兩側(cè)拱圈線性急劇變化，影響鋼板貼合效果，不宜采取鋼板加固。

(4)增設(shè)橫隔板或加大橫隔板，或肋間增設(shè)底板變雙曲拱截面為箱形截面，可加強(qiáng)拱肋的整體性，改善拱圈受力條件。

(5)改變拱上建筑時(shí)，可將拱式拱上建筑改為梁板式拱上建筑；跨中實(shí)腹段也可改為空腹段，無(wú)條件時(shí)可采用輕質(zhì)土填充拱腔。

(收稿日期：2022-04-21)

BearingCapacityEvaluationandMaintenanceCountermeasuresforDoubleCurvedArchBridge

ZHONGGuodong1,CHENGHaobo2

(1.Guangdong Jiaoke Testing Co., Ltd., Guangzhou 510550，Guangdong， China;2. Guangdong Hualu Transport Technology Co., Ltd.,Guangzhou 510420，Guangdong， China)

Abstract:Aiming at the double curved arch bridge of Pengkeng Bridge, which has been built and operated for more than 46 years, the bearing capacity of the bridge has been evaluated and its stress characteristics have been discussed through static load test, dynamic load test and finite element analysis. The results of load test and finite element analysis have shown that the double curved arch bridge is in elastic working state, and the actual stiffness of the structure is greater than the theoretical stiffness; The causes of diseases have been analyzed, with maintenance and rehabilitation strategies being proposed through field investigation for the main diseases of the double curved arch bridge.

Keywords：double curved arch bridge;bearing capacity; load test; finite element analysis; disease analysis