夏川 魏超

摘要 隨著車輛不斷增量增重，空腹式石拱橋損傷愈來愈嚴(yán)重，采用噴射混凝土對(duì)主拱圈進(jìn)行處治，加固后的效果需進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過加固前后橋梁荷載試驗(yàn)，文章采用有限元建模分析，在試驗(yàn)荷載與設(shè)計(jì)荷載等效情況下，對(duì)比靜態(tài)應(yīng)變、撓度、沖擊系數(shù)以及基頻等荷載參數(shù)，能直接反映橋梁加固后的效果。對(duì)于今后采用噴射混凝土加固的石拱橋提供了參考。

關(guān)鍵詞 加固石拱橋；應(yīng)變撓度；基頻；荷載試驗(yàn)；評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào) U445.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）04-0056-04

0 引言

石拱橋是一種古老的橋梁結(jié)構(gòu)形式，就地取材方便，該結(jié)構(gòu)形式一直使用至今。石料長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化，交通量不斷增加，荷載不斷提升，導(dǎo)致石拱橋損傷嚴(yán)重，加固改造迫在眉睫。石拱橋承載力不夠，加固方法主要有增大截面、粘貼鋼板、調(diào)整結(jié)構(gòu)體系、增加體外預(yù)應(yīng)力、鋼套箍加固，其中增大截面是最常見的加固方法之一^[1]?，F(xiàn)澆混凝土加固往往容易在加固區(qū)出現(xiàn)混凝土不密實(shí)現(xiàn)象，因不易養(yǎng)護(hù)而產(chǎn)生裂縫，采用噴射混凝土加固方法有效解決了這一問題的產(chǎn)生。

該文依托某市一座加固拱橋，通過荷載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了采用噴射混凝土加固方法能有效提高拱橋的承載能力，研究成果可為今后拱橋加固處治提供借鑒。

1 工程概況

腰灘子橋位于某市境內(nèi)，橋梁全長(zhǎng)58.62 m，寬16.8 m，行車道凈寬16 m，橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路－Ⅱ級(jí)，該橋于2006年建成通車。

上部結(jié)構(gòu)：1×35 m空腹式石板拱橋，凈跨徑為35 m，凈矢高為8.8 m，凈矢跨比為1/4，主拱圈寬度為16.6 m，主拱圈厚度為1 m。下部結(jié)構(gòu)：重力式橋臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面系：瀝青混凝土鋪裝，C30混凝土防撞護(hù)欄。

在2016年通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該橋主拱圈、拱上側(cè)墻、橋臺(tái)、橋面以及基礎(chǔ)等全面檢查，發(fā)現(xiàn)主要病害為主拱圈存在較多超限裂縫。根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011） 要求對(duì)該橋技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)為四類，參考《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG H11—2004）的規(guī)定對(duì)全橋進(jìn)行交通管制，對(duì)主拱圈裂縫進(jìn)行加固處治^[2]。

維修加固處治方案：原主拱圈拱背（空腹段）和拱腹各加鋪（拱腹采用噴射）20 cm、15 cm厚的鋼筋混凝土增大拱圈截面積，腹拱圈拱腹采用噴射15 cm厚鋼筋混凝土加固，新建鋼筋混凝土護(hù)欄等。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

橋梁荷載試驗(yàn)包括靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)，通過靜動(dòng)載試驗(yàn)了解橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況和工作狀態(tài)，評(píng)定其是否滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的要求。

2.1 靜載試驗(yàn)

2.1.1 加載工況及控制截面

根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件，確定該次荷載試驗(yàn)的加載工況及控制截面?？刂平孛娴倪x取如圖1所示，試驗(yàn)加載工況設(shè)置如表1所示。

2.1.2 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

該次應(yīng)變測(cè)試截面布置如圖2所示，應(yīng)變測(cè)試方式采用在表面粘貼應(yīng)變片，采用靜態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

2.1.3 撓度測(cè)點(diǎn)布置

該次撓度測(cè)點(diǎn)布置于橋面，按支點(diǎn)、L/4、L/2、3L/4、支點(diǎn)位置縱向布置，橫向布置兩條測(cè)線。

2.1.4 裂縫觀測(cè)

荷載試驗(yàn)過程中，對(duì)橋梁外觀檢測(cè)存在裂縫的構(gòu)件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)荷載試驗(yàn)過程中裂縫變化情況，并監(jiān)測(cè)控制截面附近是否有裂縫產(chǎn)生，通過已有裂縫的發(fā)展情況及是否有新裂縫產(chǎn)生來判斷結(jié)構(gòu)的抗裂性能^[3]。

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)通過脈動(dòng)試驗(yàn)及行車試驗(yàn)，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)^[3]。

2.2.1 行車試驗(yàn)

行車試驗(yàn)主要分為無障礙行車試驗(yàn)、有障礙行車試驗(yàn)、制動(dòng)試驗(yàn)。該橋無障礙行車試驗(yàn)采用一輛載重汽車（單車重約400 kN）分別以20 km/h、30 km/h的速度往返通過橋跨結(jié)構(gòu)，測(cè)定橋梁在橋面鋪裝層完好時(shí)運(yùn)行車輛荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)載響應(yīng)和沖擊系數(shù)；有障礙行車試驗(yàn)采用一輛載重汽車（單車重約400 kN）分別以10 km/h、20 km/h的速度往返通過橋跨結(jié)構(gòu)，模擬在橋面鋪裝局部損傷的情況下，橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)載響應(yīng)和沖擊系數(shù)；制動(dòng)試驗(yàn)采用一輛載重汽車分別以10 km/h、20 km/h的速度通過橋跨結(jié)構(gòu)，在橋梁跨中截面處進(jìn)行剎車制動(dòng)，測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)在汽車制動(dòng)力下的振動(dòng)響應(yīng)。

2.2.2 脈動(dòng)試驗(yàn)

脈動(dòng)試驗(yàn)用于測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性，包括頻率、阻尼比和振型。

3 有限元模型分析

該橋計(jì)算采用有限元軟件Midas Civil建立有限元模型，進(jìn)行恒載計(jì)算及活載分析，原主拱圈石料為MU40粗料石，砌縫為M7.5水泥砂漿，加固區(qū)采用C30混凝土。采用施工聯(lián)合截面模擬拱圈加固過程，有限元模型共離散劃分為405個(gè)節(jié)點(diǎn)，540個(gè)單元。有限元模型如圖3所示。

通過計(jì)算在設(shè)計(jì)荷載作用下的控制截面內(nèi)力，采用荷載等效方法，通過內(nèi)力影響線加載方式，保證控制截面的荷載效率系數(shù)在0.95～1.05范圍內(nèi)，確定合適的載重汽車重量、數(shù)量以及具體的加載位置。該次加載車采用3輛40 t，荷載試驗(yàn)加載效率系數(shù)如表2所示。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 靜載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

腰灘子橋在各工況作用下控制截面應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如表3所示。

腰灘子橋在各工況作用下控制截面撓度測(cè)試結(jié)果如表4所示。

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4.2.1 行車試驗(yàn)

行車試驗(yàn)測(cè)定結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的沖擊系數(shù)測(cè)試結(jié)果，如表5所示。

4.2.2 脈動(dòng)試驗(yàn)

腰灘子橋的頻率計(jì)算值與實(shí)測(cè)值如表6所示。實(shí)測(cè)振型圖及頻譜分析圖如圖4所示。

5 結(jié)果分析

（1）靜載試驗(yàn)不同加載工況作用下，A-A截面（拱腳）各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.30～0.58之間，B-B截面（跨中）各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.43～0.58之間；B-B截面各測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.53～0.57之間。各測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)均小于1，相對(duì)殘余均小于20%，滿足要求，表明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載下處于良好的彈性工作狀態(tài)^[4]。

（2）無障礙行車下沖擊系數(shù)為1.01～1.02，小于理論計(jì)算值1.31，有障礙行車下沖擊系數(shù)為1.371～1.494，制動(dòng)試驗(yàn)下沖擊系數(shù)為1.153～1.201。無障礙行車試驗(yàn)、有障礙行車以及制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明：橋梁測(cè)試截面跳車沖擊系數(shù)比跑車沖擊系數(shù)大，表明橋面鋪裝破損對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大效應(yīng)較明顯。

（3）脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明：橋梁的實(shí)測(cè)基頻（10.742 Hz）大于理論計(jì)算基頻（6.34 Hz），表明橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求，各階實(shí)測(cè)自振頻率和振型與理論計(jì)算結(jié)果一致性相符，說明被測(cè)橋梁的實(shí)際振動(dòng)特性與設(shè)計(jì)計(jì)算理論相符。

（4）在整個(gè)試驗(yàn)過程中，未發(fā)現(xiàn)可見裂縫。

（5）加固后與加固前荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果如下：

①靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果。根據(jù)2016年對(duì)腰灘子橋（加固前）荷載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果：采用3輛35 t的加載車進(jìn)行荷載試驗(yàn)，拱腳理論應(yīng)變?yōu)?6 με，實(shí)測(cè)應(yīng)變39 με；拱頂理論應(yīng)變?yōu)?1～100 με，實(shí)測(cè)應(yīng)變33～42 με，拱頂理論撓度為1.07～4.20 mm，實(shí)測(cè)撓度為0.58～2.42 mm。

該次荷載試驗(yàn)（加固后）采用3輛40 t的加載車進(jìn)行荷載試驗(yàn)，拱腳理論應(yīng)變?yōu)?～12 με，實(shí)測(cè)應(yīng)變3～8 με；拱頂理論應(yīng)變?yōu)?～23 με，實(shí)測(cè)應(yīng)變4～15 με，拱頂理論撓度為0.93 mm，實(shí)測(cè)撓度為0.49～0.53 mm。

根據(jù)加固后與加固前的靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，加固后的應(yīng)變和撓度均比加固前小，表明腰灘子橋加固后的整體剛度比加固前增大。

②動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果。加固前無障礙行車下沖擊系數(shù)為1.06～1.11，有障礙行車下沖擊系數(shù)為1.44～1.52，制動(dòng)試驗(yàn)下沖擊系數(shù)為1.31～1.46。

加固后無障礙行車下沖擊系數(shù)為1.010～1.020，有障礙行車下沖擊系數(shù)為1.371～1.494，制動(dòng)試驗(yàn)下沖擊系數(shù)為1.153～1.201。

加固前實(shí)測(cè)基頻3.970 Hz，加固后實(shí)測(cè)基頻10.742 Hz。

根據(jù)加固后與加固前的動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，加固后的沖擊系數(shù)小于加固前沖擊系數(shù)，表明加固后比加固前車輛對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)作用減小，對(duì)橋梁的沖擊作用減??；加固后的實(shí)測(cè)基頻大于加固前實(shí)測(cè)基頻，表明腰灘子橋的剛度加固后比加固前增大。

6 結(jié)論

（1）采用噴射混凝土加固，可以解決因養(yǎng)護(hù)不到位而產(chǎn)生的混凝土裂縫問題。

（2）采用噴射混凝土加固，橋梁剛度加固后比加固前增大，車輛對(duì)橋梁沖擊作用減小，耐久性提高，行車舒適度提高。

（3）采用噴射混凝土加固，橋梁承載能力、結(jié)構(gòu)剛度、動(dòng)態(tài)特性等各項(xiàng)主要技術(shù)性能提高，滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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[4]公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程： JTG/T J21-01—2015[S]. 北京： 人民交通出版社， 2016.

收稿日期：2023-12-21

作者簡(jiǎn)介：夏川（1987—），男，本科，工程師，從事橋梁檢測(cè)工作。

通信作者：魏超（1987—），男，本科，工程師，從事道路橋梁檢測(cè)工作。