李油油,張鴻志
(河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司,河南 鄭州 451450)
天橋全長75.04 m,橋跨結構為一孔60 m剛架拱,矢跨比1/10;上部承重構造為鋼筋混凝土剛架拱橋,橫向布置3道拱片,下部構造為鋼筋混凝土U型橋臺,剛性擴大基礎,橋面鋪裝類型為防水混凝土,橋面總寬7.5 m(車行道)+2×0.5 m(混凝土護欄)。設計荷載:汽-20、掛-100。于2007年9月建成通車。
2020年9月份的橋梁定檢報告中,橋梁的主要病害為:弦桿U形、豎向裂縫;實腹段跨中U形、豎向開裂;橫系梁豎向裂縫;微彎板橫向裂縫;大、小節(jié)點開裂、銹蝕;橋面破損露筋和大面積網(wǎng)裂。該天橋橋梁技術狀況評分Dr為56.0分,屬于4類橋梁。
根據(jù)在荷載作用下主梁的軸力、彎矩、剪力、位移、應力包絡圖,該天橋測試截面見圖1。
圖1 應力測試截面布置圖
加載工況見表1。
表1 試驗加載工況
(1)在試驗荷載作用下,受力控制斷面的實測應力均小于計算值,實測應力在正常范圍之內,表明結構強度滿足設計要求。
(2)在試驗荷載作用下,各跨跨中撓度測試結果均小于計算值,校驗系數(shù)在0.64~0.79之間,實測撓跨比小于規(guī)范限值(L/600),表明結構抗彎剛度滿足設計和規(guī)范要求。
(3)在拱頂最大正彎矩工況滿載作用下,0~3#拱腳位移0.24 mm,0~1#、0-2#拱腳位移均為0.00 mm。
(4)加載過程中,對控制截面進行觀測,在拱頂最大正彎矩工況滿載作用下,原有裂縫寬度增大0.06 mm(裂縫位于拱頂合攏段接縫位置),卸載后裂縫寬度變化量為0.00 mm,裂縫完全恢復初始狀態(tài)。
(5)該橋一階豎向振動基頻為2.93 Hz,實測值大于計算值2.06 Hz,橋梁豎向動力剛度滿足要求。
(6)實測沖擊系數(shù)最大值為0.41,設計值0.17,大于設計值。
橋梁應力、變形測試結果表明:總體上,實測結果與計算值有很好的吻合性,橋梁結構工作狀況處于彈性范圍,橋梁實際強度、剛度和承載能力滿足原設計及規(guī)范要求。但該橋沖擊效應較大,主梁振動明顯,說明該橋正常工作狀態(tài)下的動力性能較差。
從剛架拱的受力狀態(tài)中可以得出:外弦桿為純受彎構件;內弦桿及實腹段主要為彎、壓構件;大、小節(jié)點處負彎矩較大;拱腳及斜撐主要以受壓為主,為小偏心受壓構件。
從以上對各構件的受力分析得出,剛架拱橋的受力薄弱點主要為:實腹段跨中截面下緣,弦桿跨中截面下緣;大、小節(jié)點截面上緣。
(1)設計因素:剛架拱橋的誕生與廣泛應用是因為其結構形式優(yōu)美、受力合理、節(jié)省材料等優(yōu)點,但當時對該結構的認知并不全面,因此在后來的運營過程中,該結構的缺點逐漸暴露,不符合可持續(xù)發(fā)展的設計理念。雖然在后續(xù)的新規(guī)范中逐漸完善該結構的設計理念,但已修建橋梁的弊端仍然存在。
(2)相關參數(shù)取值差異:根據(jù)有關學者研究[2]早期剛架拱橋的沖擊系數(shù)取值采用《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTJ 023—1985),與《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG D62—2004)相比沖擊系數(shù)相差185%~231%。沖擊系數(shù)取值較小,導致該橋正常工作狀態(tài)下的動力性能較差,一定程度上誘發(fā)裂縫產(chǎn)生。
(3)重載車輛:根據(jù)調查該橋周圍存在工廠,長期的重載交通是導致該橋出現(xiàn)結構性病害的主要原因。
(4)結構整體性差:由該橋的檢測報告可知,該橋橫系梁產(chǎn)生豎向裂縫,致使拱片之間的橫向聯(lián)系減弱,影響拱片之間的協(xié)同作用。
(1)加強橋梁體剛度及抗彎承載力。
(2)減橋梁正常運營時上部活荷載。
(3)不采用增大截面法加固時,盡量不增加橋梁自重。
(1)加固設計方案應針對橋梁病害,有效改善橋梁整體受力狀態(tài)。
(2)安全性原則。考慮方案優(yōu)點的同時,綜合考慮方案的缺點可能會對橋梁造成的不利影響。所采用的方案盡量不會產(chǎn)生新增病害。
(3)方便施工原則。加固方案應充分考慮橋梁的地理位置,對于跨線天橋盡可能考慮橋下交通運營安全及施工難度、工期。
(4)經(jīng)濟性原則。在滿足橋梁可以正常安全運營的前提下,綜合考慮橋梁的設計安全等級、加固的經(jīng)濟性及交通量情況,選擇最優(yōu)方案,避免不必要的浪費。
依據(jù)加固目標及加固原則,考慮增大截面加固方案[3]對橋下高速安全運營影響較大,且施工條件及難度較大。剛架拱橋結構加固改造,同時采用粘貼鋼板加固法[4]與減小橋梁上部活載方案。
(1)粘貼鋼板加固
粘貼鋼板法加固原理[5];將鋼板粘貼在構件受力薄弱邊緣,與構件共同受力,可有效減小構件受力邊緣的應力、應變及抑制裂縫發(fā)展,鋼板與構件之間通過膠體進行有效黏結。
粘貼鋼板加固構件主要有:弦桿、拱腿、斜撐、拱片、橫向聯(lián)系及微彎板。
(2)減小車輛荷載方案
采用縮減車行道寬度的方案進行處治,橋面布置形式改為:0.5 m橋梁混凝土護欄+1.5 m人行道+0.25 m車行道護欄+4 m車行道+0.25 m車行道護欄+1.5 m人行道+0.5 m橋梁混凝土護欄。車行道混凝土護欄高0.4 m,寬0.25 m。減小橋面鋪裝的厚度,來消除車行道護欄重量,從而達到不增加橋梁上部結構自重的原則。
(3)混凝土表面開裂、破損處治方案
根據(jù)《公路橋梁加固設計規(guī)范》(JTG/TJ22—2008)規(guī)定:寬度小于0.15 mm裂縫采用表面封閉法;裂縫較深、寬度大于等于0.15 mm采用壓力灌注法。
對于混凝土破損露筋處治方案為[6]:對破損位置進行清理,對銹蝕鋼筋進行除銹阻銹,然后采用環(huán)氧砂漿進行表面修補。
采用有限元軟件midas civil建立剛架拱橋模型,全橋共計265個節(jié)點,242個單元。拱腿、斜撐與橋臺的連接為固定鉸接,與弦桿的連接為剛性連接。單元材料采用C40混凝土,二期鋪裝采用均布荷載形式布置。
(1)設計考慮荷載
加固前主要考慮:結構自重、車道荷載與溫度荷載。其中,結構自重系數(shù)取1.04;車道按2車道布置;溫度荷載按照升溫20 ℃,降溫-20 ℃考慮。
加固后主要考慮:結構自重、車道荷載、人群荷載與溫度荷載。其中,車道荷載按1車道布置,人群荷載取3.0 km/m2。
(2)荷載組合
荷載組合采用《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTJ 021—89)。
由于模型節(jié)點單元較多,因此選取關鍵節(jié)點數(shù)據(jù)進行對比分析。根據(jù)第4章剛架拱結構受力分析,選取剛架拱受力薄弱截面,如:拱腳截面、大節(jié)點、小節(jié)點、實腹段跨中截面、外弦桿跨中截面。
(1)位移對比分析
結構位移能夠反映結構的受力狀態(tài),根據(jù)加固前后位移對比可得:加固后實腹段跨中截面位移減小較為明顯,3號拱片實腹段跨中豎向位移減少35.7%,2號拱片實腹段跨中豎向位移減少16.7%;3號拱片大節(jié)點處豎向位移減少50%,2號拱片大節(jié)點處豎向位移減少35.2%;3號拱片小節(jié)點處豎向位移減少50%,2號拱片小節(jié)點處豎向位移減少33.3%;3號外弦桿跨中豎向位移減少66.7%,2號外弦桿跨中豎向位移減少40%。因此可得,該加固方式可以有效的改善橋梁的受力狀態(tài),有利于后期橋梁的安全運營。加固前后橋梁位移對比表見表2。
表2 加固前后位移對比表 單位:mm
(2)彎矩對比分析
根據(jù)各關鍵截面彎矩分析,可以得出加固前實腹段跨中彎矩大于截面抗力,不滿足結構受力特性。加固后實腹段跨中截面彎矩小于截面抗力,跨中最大彎矩減小20%,抗力增加26%,安全系數(shù)由0.73提高至1.15。加固前后橋梁關鍵截面彎矩具體值見表3、表4。
表3 加固前橋梁關鍵截面彎矩單位:kN·m
根據(jù)有限元模型計算可以得出,采用粘貼鋼板及減小橋梁活荷載的方案可以有效減小橋梁的整體受力性能。實腹段跨中截面最大豎向位移減小35.7%,跨中最大彎矩減小20%,抗力增加26%,完全系數(shù)由0.73提高至1.15。
根據(jù)養(yǎng)護部門提供的最新檢測報告,該橋加固后,結構整體受力性能明顯得到改善,3、4類受力構件已全部消除,特別是拱片及大、小節(jié)點的受力得到了明顯改善。該橋的橋梁技術狀況等級評為1類,未見橋梁有新的結構性病害產(chǎn)生,加固效果較為顯著。
(1)根據(jù)剛架拱的受力狀態(tài)得出:外弦桿為純受彎構件,內弦桿及實腹段為彎、壓構件,拱腳及斜撐為小偏心受壓構件。
(2)橋梁加固從增加橋梁自身結構承載力及減輕上部活荷載兩個方面同時出發(fā),其加固效果更為顯著??奢^大程度減小橋梁跨中豎向位移;減小實腹段跨中截面最大彎矩,提升截面抗力;提升橋梁安全系數(shù),使橋梁具有一定的超載潛力,保障橋梁的安全運營。