刚架拱桥荷载试验与加固技术研究

陈 耿

(镇江市交通工程建设管理处,江苏 镇江 212005)

0 引 言

刚架拱桥造型新颖、简洁、美观,受力介于连续梁与拱之间。中跨主梁与两斜腿构成 “拱式结构”,受力与折线拱类似,其边跨与中跨主梁所构成的结构与三跨连续梁类似。由于折线拱偏离恒载压力线,弯矩比拱桥大,而轴向力又比拱桥小,另外边跨为受弯构件,所以,不能像拱桥那样可用圬工材料建筑;又由于主跨结构多为偏压构件,所以受力在许多方面比连续梁有优势。因此,刚架拱桥在公路桥梁建设中得到了广泛的应用。

以往对刚架拱桥大量的研究主要集中在设计、施工、监控等方面,对刚架拱桥的检测加固技术的研究相对较少,关于公路大件运输中刚架拱桥的承载力评估和加固处治技术的研究就更少。随着社会经济发展和工业化进程,公路大件运输日趋频繁,荷载规模也在不断增加,如何快速、有效的评判沿线桥梁的通行能力,并制定合理、经济的加固处治措施已成为一个迫切需要解决的问题。

本文以一座多孔20m跨径刚架拱桥为例,考虑大件运输通行需要,对其荷载试验、加固技术、承载力分析等进行研究,以期为今后类似项目提供借鉴。

1 项目概况

因建设需要,现某总重达620 t的大件运输车辆需经过河南省国道107线、省道新济线、焦克线,其中沿线需通过一座12孔20 m跨径刚架拱桥。该桥1980年建成通车,设计标准为汽车-20级、挂车-100,人群荷载350 kg/m2,桥面布置:净-9m(车行道)+2×1.5m(人行道),桥梁概貌如图1所示。需采取有效措施,确保大件运输车辆安全通过桥梁。

2 静载试验与通过性评价

在荷载试验准备过程中,对刚架拱桥进行了详细的桥梁外观检查,主要针对裂缝、连接部位、结构整体性、墩台、排水设施等方面进行检查。检查发现:桥梁主体受力部件基本完好,少量拱肋拱顶有小于0.1 mm的裂缝;部分拱肋间横向系杆混凝土破损,局部露筋;部分桥墩盖梁混凝土破损,有混凝土剥落。

图1 刚架拱桥概貌

本次荷载试验将进行主拱圈控制截面的正应力和挠度观测,试验荷载工况为第一跨拱顶受大件运输车辆作用工况。根据等代荷载法,将大件运输车辆荷载效应换算为等代的试验车辆荷载进行试验,计算换算成40～45 t级载重汽车4辆进行加载,前后两排,中载布置。加载前,每辆加载车辆需过磅称重。

本次静载试验效率为 1.02,为了加载安全,防止结构加载意外损伤,以及了解结构应变和变位随试验荷载增加的变化规律,本次静载试验各工况荷载分成四级加载,具体如下:

第一级单车:乙Q-00625;

第二级双车:乙Q-00625+豫K-22908;

第三级三车:乙Q-00625+豫K-22908+豫G-32718;

第四级四车:乙Q-00625+豫K-22908+豫G-32718+豫A-41513。

加载车辆布置如图2所示。

图2 荷载试验加载车辆布置示意

测点布置:

(1)正应力测点

第一跨主拱圈拱顶中截面设置6个测点;上弦杆布置3个测点。每一测点贴应变片,采用专用静态应变采集仪进行数据的自动采集和整理。

(2)挠度测点

第一跨横向分左、中二个测点。挠度观测采用精密水准仪,测试精度为0.01 mm。

刚架拱桥荷载试验结果如表1～表4:

表1 试验荷载测点实测应力 (单位:MPa)

表2 应力效验系数与相对残余变形

表3 试验截面挠度观测结果

表4 挠度效验系数与相对残余变形

由以上试验结果分析如下:

(1)刚架拱桥在各级荷载的作用下,实测值与理论计算值具有较好的相关性,表明结构尚处于弹性工作状态。

(2)本次试验加载效率为大件车荷载的1.02倍,在此试验荷载作用下,应力效验系数为1.06,说明该桥承载力略有不足,不能满足大件运输车辆通过的需要。

(3)最不利荷载作用下拱顶的挠度效验系数0.67,卸载后弹性恢复较好。

(4)试验过程中经详细检查,未发现拱顶既有裂缝在荷载作用下延伸或加宽,未发现新增加裂缝,其他受拉区域,如上弦杆未发现裂缝。

根据静载试验结果并结合桥梁现状进行综合分析,确定刚架拱桥需要进行承载力加固方能通行大件运输车辆。

3 加固技术方案的确定

因本桥只是为了实现大件的安全通过,而在近期的道路规划中将被废弃,同时考虑经济因素的影响,因此决定采用临时性加固方案,并对临时性加固方案前后的桥梁结构进行验算。具体加固措施为:

(1)为确保大件运输车辆安全通过,根据该桥的结构形式以及桥下地形条件,采用万能杆件在各跨跨中位置搭建临时墩的措施对上部结构进行临时加固。在临时墩顶采用枕木条与梁底接触,枕木条应与拱圈顶紧,以便临时墩能及时有效分担荷载,以保证拱圈不会发生太大变形而破坏。

(2)对混凝土缺损和表面裂缝等病害进行修补,并在大件运输车辆过桥时加强对桥梁结构进行观测。

4 加固前后结构计算分析

(1)加固前该桥的受力状态经结构验算分析,该桥在大件运输特载车下拱顶截面强度不能满足要求,见图3、图4和表5所示。

图3 加固前恒载+特载车下拱顶弯矩最大值

图4 加固前恒载+特载车下拱顶轴力最大值

表5 加固前的拱顶截面强度验算

(2)加固后该桥的受力状态

采用中跨加设临时支撑墩的方式加固,加固示意图如图5所示,受力分析见图6、图7及表6。

图5 临时支撑墩加固示意

图6 加固后恒载+特载车下拱顶弯矩最大值

图7 加固后恒载+特载车下拱顶轴力最大值

表6 加固后的拱顶截面强度验算

加固后,拱顶截面受力由正弯矩变为负弯矩,最大正弯矩发生在次拱腿处,整个主跨轴力值均降低,跨中截面强度满足通行要求,对于斜腿与主梁连接处产生的较大的正弯矩,在采取了相应的措施处理后,均可满足要求。

5 结 语

本文对大件车过既有刚架拱桥的荷载试验检测技术,以及通过检测确定的加固技术方案等问题展开了讨论和研究。详细阐述了该桥荷载试验步骤,并根据试验结果,兼顾安全性和经济性,提出了较为适用的临时性加固方案。对加固前后的桥梁结构进行分析计算,计算结果表明加固方案可行,能够有效解决大件运输车辆安全过桥的特殊要求。

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