桁架拱橋鋼板加固前、後實橋試驗對比分析

? 桁架拱橋鋼板加固前、後實橋試驗對比分析

孫全勝， 仇天天

(東北林業大學， 黑龍江 哈爾濱　150040)

[摘　要] 為了探究粘貼鋼板加固桁架拱橋的加固效果，以工程實際橋樑為例，採用有限元分析軟體Midas/Civil建立該橋的空間模型，分別對加固前後橋樑進行靜載試驗，通過對比分析加固前後的實測撓度值與應變值，得出結構的撓度值和應變值分別下降了29.2%和21.2%，表明鋼板加固提高了結構的剛度和強度，且結構的極限承載能力已滿足公路-Ⅱ級設計荷載等級的要求，為同類型現有橋樑的維修加固提供一定的參考借鑒作用。

[關鍵詞] 桁架拱橋； 靜載試驗； 對比分析

0　前言

桁架拱橋是繼雙曲拱橋之後發展起來的一種輕型拱式結構，它具有用料省、自重輕、整體性強等特點。自上世紀六七十年代以來，在我國各省市地區得到了廣泛應用。

由於當時設計經驗、施工技術不夠成熟、施工質量控制不嚴、以及結構自身的缺陷和缺乏科學管理，在長期超負荷運營情況下，早期修建的荷載標準低的桁架拱橋出現不同程度的破損和損傷，對橋樑的安全運營構成一定的威脅，因此急需進行加固維修。

1　工程概況

某桁架拱橋採用鋼筋混凝土材料，重力式墩台，擴大基礎，橋跨布置為3×50 m，凈跨徑為50 m，凈矢高為5 m，矢跨比為1/10，橋樑全長179 m，橫斷面布置為7 m(行車道)+2×1.0 m(人行道)，橋面鋪裝採用水泥混凝土，橋型布置圖和標準橫斷面圖，如圖1、圖2所示。

圖1　橋型布置圖Figure 1　Bridge layout diagram

圖2　標準橫斷面圖(單位： cm)Figure 2　Standard cross-sections(unit： cm)

該橋於1985年修建完成，自運營工作以來，陸續出現了不同程度的病害，主要包括上弦桿混凝土剝落、掉角，且存在豎向裂縫及橫向裂縫，下弦桿混凝土剝落、掉角，桁架拱片及拱腳存在裂縫，微彎板存在滲水、泛白、鋼筋外露鏽蝕現象、節點混凝土剝落、開裂等病害。

2　主要加固措施

根據該橋的技術狀況以及存在的主要問題，採用橋樑專用有限元計算分析軟體Midas/Civil建立該橋空間有限元計算模型對其進行計算，如圖3所示；根據計算結果採取了以下主要加固措施： ①拱頂實腹段粘貼5 mm厚鋼板。 ②拱腳2 m範圍內粘貼鋼板，拱背鋼板厚度為8 mm，拱腳側面及底面鋼板厚度為5 mm。 ③在橫樑底面粘貼5 mm厚鋼板，全橋共加固21道橫樑，並且對存在裂縫的節點粘貼鋼板。 ④在橋墩及橋台處設置TST伸縮縫，全橋共4道。

圖3　Midas/Civil計算模型Figure 3　Midas/Civil calculation model

3　加固前後實橋試驗對比分析

由於對加固前後實橋試驗結果進行對比分析，因此測點布置、試驗工況及所用驗算模型應保持一致。

3.1　載入工況及荷載效率

由於拱肋較高，橋下水流端急，且各跨的結構型式相同，故選取第三跨進行荷載試驗，撓度和應變測點示意圖，如圖4、圖5所示。

圖4　撓度測點示意圖Figure 4　Deflection diagram of measuring points

圖5　應變測點示意圖Figure 5　Strain measuring point

為了模擬拱頂截面最大彎矩效應和拱腳截面最大軸力效應，通過變換試驗車輛在橋面縱向的位置以保證荷載效率。具體分為2種工況：工況1：縱向中後軸布置在跨中，且加固前後的荷載效率分別為1.0和0.98；工況2：縱向前軸布置在距3#台中線2.0 m處，且加固前後的荷載效率分別為0.97和0.99。

根據《大跨徑混凝土橋樑的試驗方法》中的建議值和 《公路橋樑承載能力檢測評定規程》規定建議值0.95～1.05範圍內，而工況1、工況2的荷載效率均在規定的範圍內，說明試驗載入是足夠充分的。

3.2　截面撓度對比分析

撓度是反映結構受力性能的一個綜合性指標，通過撓度的測定，不僅可了解結構和剛度的變化情況，還可區分結構的彈性和非彈性性質。

跨中截面的各測點撓度如表1、圖6所示。

表1 跨中截面實測撓度與理論計算值對比表Table1 Crosssectioninthemeasureddeflectioncomparedwiththetheoreticalcalculationvaluetable編號理論值/mm實測值/mm前後前後M16.15.46.64.5M27.97.58.26.4M36.25.66.84.4殘餘值校驗係數殘餘度/%前後前後前後0.230.031.080.833.50.70.140.051.040.851.70.80.180.021.100.792.60.5

圖6　跨中截面撓度對比圖(單位： mm)Figure 6　　　　Across the section deflection of contrast figure　　　(unit： mm)

從表1、圖6可知：結構加固前後各測點實測值和理論值變化規律一致。結構加固後較加固前理論撓度平均值降低了12.7%；實測撓度平均值降低了29.2%；校驗係數平均值降低了23.4%，加固後的實測撓度值均小於理論撓度值，且實測撓度值均小於《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規範》規定的L/800，說明該橋的縱向剛度達到了加固設計和規範的要求。

3.3　截面應變對比分析

應力是橋樑結構試驗中主要測量內容，通過所測的應力數據可直接了解應力沿構件的分布情況、結構的受力性能以及強度儲備。

工況1與工況2截面的各測點應變如表2、圖7、圖8所示。

表2 跨中截面和拱腳截面實測應變與理論計算值對比表Table2 Crosssectioninthemeasuredstrainandarchfootsectionmeasuredstresscomparedwiththetheoreticalcalculationvaluetable類別編號理論值/με實測值/με殘餘值校驗係數殘餘度/%前後前後前後前後前後跨中截面︵工況一︶N1224.8212.51951752550.870.8212.82.9N288.370.64035000.450.500.00.0N3245.6231.526020535101.060.8913.54.9N499.679.7110401501.100.5013.60.0N5221.6211.919017520100.860.8310.55.7N686.469.465351000.750.5015.40.0拱腳截面︵工況二︶N7-20.8 -16.6 -15 -10 000.720.600.00.0N8-6.9-4.3-50000.720.000.00.0N9-31.2-24.3-25-15000.800.620.00.0N10-7.6-6.8-50000.660.000.00.0N11-21.8-17.8-20-10000.920.560.00.0N12-5.3-4.2-50000.940.000.00.0

圖7　跨中截面應變對比圖(工況1/με)Figure 7　　　　Across the section strain contrast figure　　　(Condition 1/με)

圖8　拱腳截面應變對比圖(工況2/με)Figure 8　　　　Arch foot section strain contrast figure　　　(Condition 2/με)

從表2、圖7可知：加固前實測應變最大值為260 με，超過了理論應變最大值245.6 με，部分應變的應變校驗係數大於1.0，已不滿足規範小於1的要求。加固後橋樑各個控制截面上的各個測點的應變測試無異常情況，最大應力沒有超過規範的規定值，說明橋樑的靜力強度充足。

從表2、圖8可知：加固後較加固前的沿梁高理論應變最大值降低了22.1%，加固後截面測點的實測應變值均未超過理論值，且校驗係數主要分布在0.00～0.60，滿足規範要求。表明拱腳採用粘貼鋼板的加固措施達到了預期的效果。

3.4　結構承載能力評定對比分析

桁架拱片屬於偏心受壓構件，需要判斷構件屬於小偏心或大偏心受壓構件，然後進行極限狀態驗算對比分析，對比結果如表3、表4所示。

從表4可知：加固前橋樑在原設計荷載等級作用下的安全係數最大為3 154.6/3 204=0.98，說明原先設計儲備的富餘承載能力已經不多，且該路段常有超載車輛通行，已不能保證現行荷載通行的安全，驗算模型在公路-Ⅱ級荷載等級作用下，結構安全係數最小為4 867/3 554=1.37，且承載能力較加固前最大提高了4 867/218 602=2.2倍，表明該橋

表3 桁架拱片承載能力極限狀態驗算對比表Table3 Trussarchbearingcapacitylimitstatecalculationcontrasttable位置荷載組合荷載組合下內力折減後截面抗力Nd/kNMd/(kN·m)Rd/kN前後前後前後跨中組合Ⅰ最大軸力32043845-169-1863154.66117最小軸力26013321-89.6-94.24190.65369最大彎矩238535541121242186.24867最小彎矩33844126-212-2542892.76354

表4 桁架拱片正常使用極限狀態裂縫驗算對比表Table4 Trussarchpieceofserviceabilitylimitstatecrackcalculationcomparisontablemm位置裂縫寬度裂縫寬度限值折減後裂縫寬度限值前後前後前後跨中0.190.150.200.200.1860.208

已能滿足現今的承載能力需求。

由表4可知：加固前桁架拱片在拱頂截面位置裂縫寬度大於折減後裂縫寬度限值，說明桁架拱片在正常使用極限狀態拱頂位置裂縫不能滿足規範要求。而加固後的裂縫寬度小於折減後裂縫寬度限值，且加固後較加固前裂縫寬度降低了21.1%，表明粘貼鋼板能有效地限制拱頂裂縫。

4　結論

本文以某鋼筋混凝土桁架拱橋為項目背景，通過對加固前後的橋樑進行靜力載入試驗得出如下結論：

① 橋樑加固後，在試驗荷載作用下截面的實測撓度值和應變值均小於理論值，表明結構的剛度及強度均達到了加固設計要求。

② 鋼板與原結構形成整體共同承受荷載，說明本加固措施提高了橋樑承載能力，增大了應力較大部位局部承載力，滿足了加固後的汽車荷載等級公路-Ⅱ級；達到了加固提載的目的，保證了交通量的需求。

③ 橋樑加固後實測數據與模型計算理論數據存在差異，經分析產生的原因有：建立的有限元計算模型與橋樑的實際受力狀態不符；人為原因、施工環境等因素影響了橋樑加固效果。

[參考文獻]

[1]　吳小飛.在役鋼筋混凝土桁架拱橋加固方法研究[D].武漢：華中科技大學，2012.

[2]　李宸.既有鋼筋混凝土拱橋加固前後性能對比分析[D].成都：西南交通大學，2009.

[3]　唐煦明.鋼筋混凝土桁架拱橋的檢測評定研究[D].南寧：廣西大學，2006.

[4]　余天慶，蔣永紅.拱式橋樑加固技術的研究與應用[J].世界橋樑，2006(1)：74 -76.

[5]　劉士俊，劉洪濤.鋼筋混凝土桁架拱橋的承載能力檢測與評估[J].公路交通科技：應用技術版，2011(08)：240-243.

[6]　曹少飛.橋樑結構試驗檢測應變和撓度測量新方法研究[D].西安：長安大學，2007.

[7]　范立礎.橋樑工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[8]　JTG/T H21-2011，公路橋樑技術狀況評定標準[S].

Comparative Analysis of One Actual Bridge Experiment Based on Truss Arch Bridgebefore-and-after Reinforcement

SUN Quansheng， QIU Tiantian

(Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040， China)

Abstract：In order to explore the strengthening effect of pasting steel truss arch bridge reinforcement，bridge as an example to the engineering practice，based on finite element analysis software Midas/Civil to build the space model of the bridge，respectively，before and after the reinforcement of bridges static load test，reinforced by comparing before and after analysis the measured deflection and straindeflection and strain values obtained structures were reduced by 29.2% and 21.2%，showing that the stiffness and strength of steel reinforcement to improve the structure，and the bearing capacity of the structure has to meet the requirements of the highway grade-Ⅱ design load leve，for the same type of existing bridge maintenance to provide certain reference.

[Key words] truss arch bridge； load test； comparative analysis

[收稿日期] 2015 — 02 — 27

[作者簡介] 孫全勝(1968 — )，男，黑龍江哈爾濱人，教授，博導，主要從事大跨度橋樑的設計理論及加固研究。

[中圖分類號] U 448.22

[文獻標識碼] A

[文章編號] 1674 — 0610(2016)04 — 0084 — 03

推薦閱讀：