宽桥面刚架拱桥荷载试验与加固技术研究

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宽桥面刚架拱桥荷载试验与加固技术研究

孙全胜， 余海燕

(东北林业大学， 黑龙江 哈尔滨　150040)

[摘　要] 由于斜腿钢架拱桥结构中以拱片受压为主，充分发挥了钢筋混凝土抗压性能优越的特点，但也使得这种结构设计承载能力的安全储备较低，即过度超荷载能力弱。以哈尔滨一座刚架拱桥为例，介绍了该桥的静载和动载试验，由荷载试验和外观检测结果可知该桥整体刚度、安全储备和抗扭能力不足，需要进行大修或维修。依据检测结果提出加固设计，并结合有限元仿真分析对加固前后的桥梁承载能力进行验算，结果表明加固效果较好，具有重要的经济价值及深远的社会效益。

[关键词] 刚架拱桥； 荷载试验； 加固技术； 宽桥面

0　前言

刚架拱桥是继双曲拱桥之后发展起来的又一种新型桥梁，自上世纪70年代试建以来，由于其外型优美轻巧、相比同跨径的双曲拱桥可降低墩台推力、造价低、施工方便等优点，一经试用便得到广泛的应用。建筑高度约为同跨径简支梁桥的1/2，钢材节约20%～30%，并可分段预制安装形成整体桥梁结构体系[1]，适宜北方施工季节较短的气候特点。

但当时修建的大批桥梁，现如今已陆续出现各种问题，例如：拱片露筋剥蚀、桁架节点连接松动、拱片裂缝、混凝土风化等诸多病害，而且随着交通事业的迅猛发展，城市重载车辆的增多和车流量的大幅度加大，当时修建的很多刚架已不能满足现今的承载能力需求。为提高城市刚架拱桥的运营安全，对其进行承载能力评定，并制定经济有效的加固措施已经越发刻不容缓[2]。

本文以哈尔滨一座跨径50 m，桥面宽41.6 m的宽桥面刚架拱桥为例，通过外观检测和静动载试验结果，对桥梁进行承载能力评定。依据评定结果，对该桥进行加固设计研究。

1　工程概况

桥梁上部结构为1×50 m刚架拱，矢高6.25 m，矢跨比1/8。拱片及微弯板预制安装施工，共13个拱片，拱片由实腹段、内弦杆、外弦杆、斜撑、主拱腿组成，实腹段及内外弦杆间对称布置16道横系梁，每边主拱腿间设2道横系梁。桥梁下部结构桥台为钢筋混凝土U型桥台，承台厚2 m，下接钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩径1.2 m。桥梁横断面形式为：中间0.6 m分隔带，两侧各15.5 m车行道，各5 m人行道，总宽度41.6 m，双向八车道。设计荷载等级为城-A级，人群3.5 kN/m2，该桥竣工于2008年。

2　承载能力评定

在对桥梁进行荷载试验之前，对该桥进行了详细的外观检查。检查发现全桥存在多处开裂，主要表现为：跨中实腹段存在多处竖向裂缝，个别裂缝形成U型开裂，裂缝宽度介于0.06～0.16 mm之间；横系梁也存在竖向和斜向裂缝，3#、4#、5#拱片间横系梁部分脱落；内弦杆和外弦杆混凝土存在裂缝，部分为U型裂缝，裂缝宽度介于0.04～0.2 mm之间；微弯板存在纵、横向裂缝，裂缝宽度介于0.04～0.24 mm之间；桥台台身出现竖向贯通裂缝，裂缝宽度介于0.06～1.2 mm之间；桥面铺装存在横纵向开裂，主要集中在中央分隔带两侧5 m范围内。

2.1　静载试验

利用桥梁专用有限元计算分析软件MIDAS/Civil建立空间梁格计算模型，对结构进行试验设计。且依据外观检测结果，充分考虑检算系数、承载能力恶化系数、截面折减系数以及活载影响修正系数，对计算模型进行修正，使其尽量和实际结构相符。计算在设计荷载(城-A级，人群3.5 kN/m2)作用下跨中的最大弯矩和拱脚的最大轴力。结构模型如图1所示。根据理论分析计算，因本桥宽度达到41.6 m，拱片达到13片，桥梁横向较宽，选择一侧偏载时，对另外一侧的影响很小，所以本次试验分左、右偏载进行。共计4个加载工况，见表1所示。

图1　刚架拱计算模型示意图
Figure 1　Rigid frame arch model for the calculation

根据等代荷载法，将设计荷载换算成同等效应的试验车辆进行加车。本桥现场实际施加的试验荷载采用7辆重约为350 kN的载重汽车，为保证试验安全，试验分三级加载，一级加载①②③，二级加载④⑤，三级加载⑥⑦，试验过程中若拱片出现新裂缝、裂缝宽度明显增大的趋势等现象时，立刻停止加载[3]。各工况下的荷载效率为0.96～1.04，具体见表2所示。其加载位置示意图如图2、图3所示。

表1 静载试验工况Table1 Staticloadtestconditions工况编号工况名称工况1左偏载跨中最大弯矩工况2左偏载拱脚最大轴力工况3右偏载跨中最大弯矩工况4右偏载拱脚最大轴力

表2 分级加载控制Table2 Multistageloadingcontrol分级工况1、3工况2、4弯矩/(kN·m)荷载效率/%弯矩/(kN·m)荷载效率/%一级269.941568.155.1二级542.583842.081.6三级654.9961031.5104

图2　桥面纵向加载示意图(单位： cm)
Figure 2　Bridge deck longitudinal load diagram(unit： cm)

图3　车辆布置示意图
Figure 3　Vehicle arrangement diagram

分别以设计荷载作用下出现最大正弯矩的跨中位置(A-A截面)、出现最大负弯矩的外弦杆与实腹段相交节点位置(B-B截面)作为控制截面，在控制截面相应的拱片底面各布置一个挠度测点和应变测点，如图4、图5所示。挠度采用百分表进行测试，应变采用BGK-4000基康钢弦传感器和BGK-408钢弦频率仪进行测试和数据采集。

图4　拱底挠度测点布置图
Figure 4　Arch bottom deflection measuring point layout

图5　拱底应变测点布置图
Figure 5　Arch bottom strain measuring point layout

2.1.1　挠度测试结果

控制测点在各荷载等级下A-A截面主要控制测点挠度结果见表3所示。

由表3可知：工况1和工况3作用下各控制点的挠度校验系数为1.23～1.53，测点的挠度校验系数均大于1.0，说明该桥的刚度小于理论刚度，刚度不足，随着荷载增加，截面开裂，挠度急剧增大；卸载后，残余应变为6.0%～35%，最大值大于规范规定20%，部分拱片已经进入塑性工作状态。

表3 控制测点跨中拱底挠度Table2 Acrossthebottomofthearchdeflectionmm工况控制测点一级二级三级卸载工况1A-3理论值-5.0-11.9-13.10.0实测值-6.0-14.0-16.0-2.0A-4理论值-7.0-10.9-12.80.0实测值-3.0-13.0-20.0-2.0工况3A-11理论值-7.0-11.9-13.10.0实测值-9.0-14.0-18.0-2.0A-10理论值-4.6-10.9-12.80.0实测值-6.0-13.0-19.0-1.0

2.1.2　应变测试结果

各荷载等级下，B-B截面主要应变控制测点应变见表4所示。

表4 控制测点B-B截面拱底应变Table4 B-Bsectionarchbottomstrainμε工况控制测点一级二级三级卸载工况2B-Y3理论值-43-93-1030实测值-34-99-118-19B-Y4理论值-63-80-1030实测值-46-95-114-21工况4B-Y11理论值-43-93-1030实测值-21-55-58-3B-Y10理论值-63-80-1030实测值-26-57-69-2

在工况2作用下主要应变控制测点B-Y3、B-Y4应变校验系数分别为1.14和1.11，实测应力值均大于理论计算应力值，荷载试验校验系数均大于1，表面桥梁的实际受力状况比理论计算状况要差，承载力不足。在工况4作用下主要应变控制测点B-Y10、B-Y11应变校验系数分别为0.67和0.56。残余应变为8%～30%，最大值大于规范规定20%，部分拱片已经进入塑性工作状态。

2.1.3　横向分布测试结果

① A-A截面满载时，在工况1和工况3作用下的拱片挠度如图6所示。由图可知拱片挠度横向分布与理论计算横向分布趋势基本相同，实测拱片跨中挠度均大于理论计算挠度，桥梁整体刚度偏小。

图6　截面满载挠度横向分布图
Figure 6　Deflection of lateral distribution with full load

② B-B截面满载时应变数据如图7所示，实测各主拱腿横向分布与理论计算值分布规律基本一致。B-Y3、B-Y4测点应变超过理论计算值，其余测点未超过理论计算值，说明桥梁横向刚度过小，横向传力不足。

图7　截面满载应变横向分布图
Figure 7　Strain of lateral distribution with full load

本桥宽跨比为0.832，属于宽桥，由图6和图7可知：当一侧施加静力荷载时对另一侧的影响比较小，符合弹性支撑连续梁法的基本原理：即当荷载P=1作用于多拱片的某一片上时，该作用只能影响荷载作用所在拱片和其两侧各两片拱[4]。当对刚架拱桥的一侧作用荷载时，只对荷载附近的拱片有影响，较远的拱片影响很小。

2.2　动载试验

动载试验使用DH5922动态信号测试分析系统、DHDAS动态信号采集分析系统、DH610V加速传感器和基于Matlab平台自行开发的模态分析软件进行数据采集，测点布置在路缘石内缘桥面上，分别布置在L/4、L/2和3L/4处。

得到桥梁结构竖向自振频率见表5所列，实测一阶振型如图8所示，相应的一阶理论振型如图9所示。

表5 桥梁自振频率及振型Table4 Bridgevibrationfrequencyandvibrationmode动力特性频率/Hz周期/s阻尼比/%第一阶实测3.03/3.87理论3.1480.318/

图8　一阶实测振型示例
Figure 8　First-order measured modal example

图9　一阶理论振型示例
Figure 9　First-order theory mode examples

从表4、图8、图9可以看出：实测的桥梁结构的一阶竖向自振频率大于3 Hz，但实测第一阶频率(3.03 Hz)小于理论计算一阶频率值(3.148 Hz)，表明桥梁整体振动特性较差，桥梁整体竖向刚度不满足设计要求。

3　病害原因分析

刚架拱设计时遵循恒载作用下各构件弯矩最小的原则，各构件截面尺寸较小，对荷载的增加十分敏感[5]。经对原结构进行验算可知，原结构最小安全系数仅为1.04；当荷载超出设计荷载的15%时，结构将会因跨中弯矩过大而产生开裂。且该桥自2008年竣工通车以来，由于周边路网还不完善，该桥作为群力新区与老城区连接的唯一交通主干道，大量拉运建筑材料、土方等特种运输车辆和超载车辆在该桥通行(据不完全统计最大荷载已超出设计荷载30%)，超出该桥设计使用极限，并长期(5 a)处于超限服务状态，致使从市里进入群力新区的载重车辆对该桥右半幅桥体造成一定程度损伤，由外向内第3、4、5拱片间横系梁部分脱落，行车道面铺装出现纵向裂缝。此外温度、收缩等因素也是造成拱片出现裂缝的主要因素。

该桥属于宽桥，由于荷载作用产生的横向弯矩较大，横系梁、微弯板等横向连接均需有足够的抗弯与抗扭强度。但由于上述构件为预制后安装，因此连接点相对薄弱，而且横系梁截面尺寸较小，致使全桥横向整体性欠佳。且根据交通荷载的分布，驶往群力方向重载、超载交通较多，群力新区大部分外运方及建筑材料均以该方向进如群力新区，因此该桥右半幅桥梁结构荷载效应亦越大，而上述3、4、5拱片恰位于右半幅车行道。在长期使用后，横系梁自身出现裂缝，以及与拱片连接点混凝土出现破损，进一步减弱了拱片间的横向联系，活荷载横向分布受到一定影响，易造成个别拱片单片受力，进一步加剧了拱片的病害。

根据刚架桥的动力学特征，斜腿刚架拱桥的基频位于1.5～6 Hz之间，该桥经实测为3.03 Hz，这与经过的车辆自身频率(2～4 Hz)较为接近，因此车辆经过时容易引起车桥共振的现象发生，从而造成桥面较大的振动[6]，易造成横向联系的破坏。对于斜腿刚架桥而言，各拱片通过横向联系形成整体。横向连接的破坏不仅造成单元结构承载能力不足，而且会削弱桥梁的整体性，车辆经过桥梁时的扭转振动亦愈为明显。弱化的横向联系容易引起桥梁的扭振，而且这种扭振还会反之引起横向联系的反复疲劳拉压，从而引起桥面裂缝的增加。

4　加固技术方案的确定

由上述检测结果可知桥梁综合评定为D级，为不合格状态，应进行临时交通管制，然后对桥梁进行大修加固处理。

4.1　加固措施

因本桥为城市桥梁，综合考虑加固措施的美观性、经济性和适用性，以全面提高其承载能力与安全储备，增强桥梁的整体刚度及拱片之间的横向联系，提高其抗弯抗扭性能为目的[7]。最终采用粘钢板加固方法，主要加固措施如下所示：

① 对拱片跨中实腹段以拱顶为中心两侧曲线长度6.25 m范围内采用U型钢板外包，钢板厚度10 mm；

② 对拱片内、外弦杆底缘粘贴8 mm的钢板条，对内外弦杆侧面粘贴厚度为10 mm的钢板；

③ 对大小节点采用厚度10 mm的异形钢板外包；

④ 主拱腿1.5 m长度范围内外包钢板焊接，钢板厚度6 mm；

⑤ 对横系梁外包U型钢板，并与拱片侧面和底缘外包钢板焊接；

⑥ 桥台台后填土进行钢花管注浆加固；

⑦ 铣刨桥面沥青混凝土铺装层5 cm，然后铺设PGM14型土工布，摊铺5 cm AC-16C改性沥青混凝土(掺进口博尼维纤维)；

⑧ 结构裂缝进行灌封修补。

4.2　加固前后结构计算

① 加固前选取最不利一片梁对桥梁结构进行验算，综合考虑汽车、人群、温度、混凝土收缩徐变等荷载的作用组合[8]。加固前承载能力不满足城-A级荷载等级要求，跨中和拱脚截面已出现开裂。图中黑线代表抗力，红线代表内力，构件的抗力与效应值如图10、图11所示。控制截面强度验算如表6所示。

图10　加固前最大抗力及对应效应值比较
Figure 10　Before strengthening maximum resistance and 
　corresponding effect comparison

图11　加固前最小抗力及弯矩效应值比较
Figure 11　Before strengthening minimum resistance and 
　bending effect value comparison

表6 加固前控制截面强度验算Table6 Beforestrengtheningcontrolsectionstrengthcal-culation位置内力属性荷载效应/kN抗力效应/kN受力类型安全系数外弦杆与实腹段相交节点最大弯矩16901860下拉偏压1.1最小弯矩-9012240上拉偏压-2.5跨中最大弯矩26802480下拉偏压0.9最小弯矩44611100下拉偏压24.9

② 加固后将拱片底缘粘贴钢板面积折减85%后换算为钢筋面积，输入截面底缘，保护层厚度考虑5 mm。构件的抗力与效应值如图12、图13所示。由图12、图13可知：加固后，在承载能力极限状态下，刚片拱各个截面均满足承载能力要求，结构安全可靠。控制截面强度验算如表7所示。

加固后在短期效应组合下，各截面最大裂缝为0.176 mm，小于0.2 mm，满足规范要求。且正常使用极限状态下，刚架拱各个截面抗剪均满足要求，最小安全系数为1.233。

图12　加固后最大抗力及对应效应值比较
Figure 12　After strengthening maximum resistance and 
　corresponding effect comparison

图13　加固后最小抗力及弯矩效应值比较
Figure 13　After strengthening minimum resistance and 
　bending effect value comparison

表7 加固后控制截面强度验算Table7 Afterstrengtheningcontrolsectionstrengthcalcu-lation位置内力属性荷载效应/kN抗力效应/kN受力类型安全系数外弦杆与实腹段相交节点最大弯矩17202160下拉偏压1.3最小弯矩-8672500上拉偏压-2.9跨中最大弯矩27503610下拉偏压1.3最小弯矩46911900下拉偏压25.4

加固后对桩基承载能力进行验算：桥台台后被动土压力远远大于结构自重及活载产生的水平力，考虑台后被动土压力影响，桩基水平力及弯矩被抵消，桩基仅承受竖向荷载作用。桩基竖向力包括结构恒载、活载、桥台及填土自重。承台自重不计入桩基竖向荷载。计算单桩容许承载力1 893.5 kN大于单桩竖向力设计值1 791.8 kN，承载力满足要求。

5　结论

本文详细阐述了哈尔滨一座宽桥面刚架拱桥的静载试验和动载试验步骤，且依据试验结果和外观检测结果提出合适的加固设计。主要研究结论如下：

① 在静荷载作用下，桥梁实际受力状态与理论计算结果基本吻合，实测挠度、应变横向分布与理论计算横向分布基本一致，但横向刚度偏弱；主要测点挠度校验系数达到1.5左右，应变测点校验系数达到1.1左右，残余变形最大值大于20%，部分拱片已经进入塑性工作状态，桥梁整体刚度不足；

② 在动荷载作用下，实测第一阶频率(3.03 Hz)小于理论计算一阶频率值(3.148 Hz)，桥梁整体振动特性较差，桥梁整体竖向刚度不满足设计要求。

③ 桥梁横向分布符合弹性支撑连续梁法的原理，荷载作用只对荷载附近的拱片有影响；

④ 采用的粘钢板加固效果较好，恢复了桥梁的使用功能、提高了其承载能力、增加了安全储备。

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The Load Test and The Research of Reinforcement Technology of Rigid-frame Arch Bridge with Wide Deck

SUN Quansheng， YU Haiyan

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

[Abstract] Because of the inclined leg structure of rigid-frame arch bridge is given priority to compression，also give full play to the characteristics of the reinforced concrete compressive superior performance，but also the safety reserve of carrying capacity of the structure design is lower，the excessive load ability.This article takes Harbin a rigid frame arch bridge as an example，introduce the bridge static load and dynamic load test，we can see that the ability of safety reserves and torsion of the integral stiffness is insufficient by the testing results of load test and appearance，it needs an overhaul or repair. Reinforcement design is put forward on the basis of test results，and combined with the finite element simulation analysis of bridge carrying capacity before and after the reinforcement calculation，results show that the reinforcement effect is good，it has important economic value and profound social benefits.

[Key words] rigid frame arch bridge； load test； strengthening technique； wide deck

[中图分类号]  U 445.7+2　　

[文献标识码] A　　　　

[文章编号] 1674-0610(2016)01-0089-05

[作者简介] 孙全胜(1968-)，男，黑龙江哈尔滨人，博士后，教授，博导，研究方向：桥梁设计，检测，加固，桥梁耐久性研究。

[收稿日期] 2014-12-29