桁架拱桥钢板加固前、后实桥试验对比分析

孙全胜， 仇天天

(东北林业大学， 黑龙江 哈尔滨　150040)



桁架拱桥钢板加固前、后实桥试验对比分析

孙全胜， 仇天天

(东北林业大学， 黑龙江 哈尔滨150040)

为了探究粘贴钢板加固桁架拱桥的加固效果，以工程实际桥梁为例，采用有限元分析软件Midas/Civil建立该桥的空间模型，分别对加固前后桥梁进行静载试验，通过对比分析加固前后的实测挠度值与应变值，得出结构的挠度值和应变值分别下降了29.2%和21.2%，表明钢板加固提高了结构的刚度和强度，且结构的极限承载能力已满足公路-Ⅱ级设计荷载等级的要求，为同类型现有桥梁的维修加固提供一定的参考借鉴作用。

桁架拱桥； 静载试验； 对比分析

0　前言

桁架拱桥是继双曲拱桥之后发展起来的一种轻型拱式结构，它具有用料省、自重轻、整体性强等特点。自上世纪六七十年代以来，在我国各省市地区得到了广泛应用。

由于当时设计经验、施工技术不够成熟、施工质量控制不严、以及结构自身的缺陷和缺乏科学管理，在长期超负荷运营情况下，早期修建的荷载标准低的桁架拱桥出现不同程度的破损和损伤，对桥梁的安全运营构成一定的威胁，因此急需进行加固维修。

1　工程概况

某桁架拱桥采用钢筋混凝土材料，重力式墩台，扩大基础，桥跨布置为3×50 m，净跨径为50 m，净矢高为5 m，矢跨比为1/10，桥梁全长179 m，横断面布置为7 m(行车道)+2×1.0 m(人行道)，桥面铺装采用水泥混凝土，桥型布置图和标准横断面图，如图1、图2所示。

图1　桥型布置图Figure 1　Bridge layout diagram

图2　标准横断面图(单位： cm)Figure 2　Standard cross-sections(unit： cm)

该桥于1985年修建完成，自运营工作以来，陆续出现了不同程度的病害，主要包括上弦杆混凝土剥落、掉角，且存在竖向裂缝及横向裂缝，下弦杆混凝土剥落、掉角，桁架拱片及拱脚存在裂缝，微弯板存在渗水、泛白、钢筋外露锈蚀现象、节点混凝土剥落、开裂等病害。

2　主要加固措施

根据该桥的技术状况以及存在的主要问题，采用桥梁专用有限元计算分析软件Midas/Civil建立该桥空间有限元计算模型对其进行计算，如图3所示；根据计算结果采取了以下主要加固措施： ①拱顶实腹段粘贴5 mm厚钢板。 ②拱脚2 m范围内粘贴钢板，拱背钢板厚度为8 mm，拱脚侧面及底面钢板厚度为5 mm。 ③在横梁底面粘贴5 mm厚钢板，全桥共加固21道横梁，并且对存在裂缝的节点粘贴钢板。 ④在桥墩及桥台处设置TST伸缩缝，全桥共4道。

图3　Midas/Civil计算模型Figure 3　Midas/Civil calculation model

3　加固前后实桥试验对比分析

由于对加固前后实桥试验结果进行对比分析，因此测点布置、试验工况及所用验算模型应保持一致。

3.1加载工况及荷载效率

由于拱肋较高，桥下水流端急，且各跨的结构型式相同，故选取第三跨进行荷载试验，挠度和应变测点示意图，如图4、图5所示。

图4　挠度测点示意图Figure 4　Deflection diagram of measuring points

图5　应变测点示意图Figure 5　Strain measuring point

为了模拟拱顶截面最大弯矩效应和拱脚截面最大轴力效应，通过变换试验车辆在桥面纵向的位置以保证荷载效率。具体分为2种工况：工况1：纵向中后轴布置在跨中，且加固前后的荷载效率分别为1.0和0.98；工况2：纵向前轴布置在距3#台中线2.0 m处，且加固前后的荷载效率分别为0.97和0.99。

根据《大跨径混凝土桥梁的试验方法》中的建议值和 《公路桥梁承载能力检测评定规程》规定建议值0.95～1.05范围内，而工况1、工况2的荷载效率均在规定的范围内，说明试验加载是足够充分的。

3.2截面挠度对比分析

挠度是反映结构受力性能的一个综合性指标，通过挠度的测定，不仅可了解结构和刚度的变化情况，还可区分结构的弹性和非弹性性质。

跨中截面的各测点挠度如表1、图6所示。

表1 跨中截面实测挠度与理论计算值对比表Table1 Crosssectioninthemeasureddeflectioncomparedwiththetheoreticalcalculationvaluetable编号理论值/mm实测值/mm前后前后M16.15.46.64.5M27.97.58.26.4M36.25.66.84.4残余值校验系数残余度/%前后前后前后0.230.031.080.833.50.70.140.051.040.851.70.80.180.021.100.792.60.5

图6　跨中截面挠度对比图(单位： mm)Figure 6　　　　Across the section deflection of contrast figure　　　(unit： mm)

从表1、图6可知：结构加固前后各测点实测值和理论值变化规律一致。结构加固后较加固前理论挠度平均值降低了12.7%；实测挠度平均值降低了29.2%；校验系数平均值降低了23.4%，加固后的实测挠度值均小于理论挠度值，且实测挠度值均小于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定的L/800，说明该桥的纵向刚度达到了加固设计和规范的要求。

3.3截面应变对比分析

应力是桥梁结构试验中主要测量内容，通过所测的应力数据可直接了解应力沿构件的分布情况、结构的受力性能以及强度储备。

工况1与工况2截面的各测点应变如表2、图7、图8所示。

表2 跨中截面和拱脚截面实测应变与理论计算值对比表Table2 Crosssectioninthemeasuredstrainandarchfootsectionmeasuredstresscomparedwiththetheoreticalcalculationvaluetable类别编号理论值/με实测值/με残余值校验系数残余度/%前后前后前后前后前后跨中截面︵工况一︶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拱脚截面︵工况二︶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

图7　跨中截面应变对比图(工况1/με)Figure 7　　　　Across the section strain contrast figure　　　(Condition 1/με)

图8　拱脚截面应变对比图(工况2/με)Figure 8　　　　Arch foot section strain contrast figure　　　(Condition 2/με)

从表2、图7可知：加固前实测应变最大值为260 με，超过了理论应变最大值245.6 με，部分应变的应变校验系数大于1.0，已不满足规范小于1的要求。加固后桥梁各个控制截面上的各个测点的应变测试无异常情况，最大应力没有超过规范的规定值，说明桥梁的静力强度充足。

从表2、图8可知：加固后较加固前的沿梁高理论应变最大值降低了22.1%，加固后截面测点的实测应变值均未超过理论值，且校验系数主要分布在0.00～0.60，满足规范要求。表明拱脚采用粘贴钢板的加固措施达到了预期的效果。

3.4结构承载能力评定对比分析

桁架拱片属于偏心受压构件，需要判断构件属于小偏心或大偏心受压构件，然后进行极限状态验算对比分析，对比结果如表3、表4所示。

从表4可知：加固前桥梁在原设计荷载等级作用下的安全系数最大为3 154.6/3 204=0.98，说明原先设计储备的富余承载能力已经不多，且该路段常有超载车辆通行，已不能保证现行荷载通行的安全，验算模型在公路-Ⅱ级荷载等级作用下，结构安全系数最小为4 867/3 554=1.37，且承载能力较加固前最大提高了4 867/218 602=2.2倍，表明该桥

表3 桁架拱片承载能力极限状态验算对比表Table3 Trussarchbearingcapacitylimitstatecalculationcontrasttable位置荷载组合荷载组合下内力折减后截面抗力Nd/kNMd/(kN·m)Rd/kN前后前后前后跨中组合Ⅰ最大轴力32043845-169-1863154.66117最小轴力26013321-89.6-94.24190.65369最大弯矩238535541121242186.24867最小弯矩33844126-212-2542892.76354

表4 桁架拱片正常使用极限状态裂缝验算对比表Table4 Trussarchpieceofserviceabilitylimitstatecrackcalculationcomparisontablemm位置裂缝宽度裂缝宽度限值折减后裂缝宽度限值前后前后前后跨中0.190.150.200.200.1860.208

已能满足现今的承载能力需求。

由表4可知：加固前桁架拱片在拱顶截面位置裂缝宽度大于折减后裂缝宽度限值，说明桁架拱片在正常使用极限状态拱顶位置裂缝不能满足规范要求。而加固后的裂缝宽度小于折减后裂缝宽度限值，且加固后较加固前裂缝宽度降低了21.1%，表明粘贴钢板能有效地限制拱顶裂缝。

4　结论

本文以某钢筋混凝土桁架拱桥为项目背景，通过对加固前后的桥梁进行静力加载试验得出如下结论：

① 桥梁加固后，在试验荷载作用下截面的实测挠度值和应变值均小于理论值，表明结构的刚度及强度均达到了加固设计要求。

② 钢板与原结构形成整体共同承受荷载，说明本加固措施提高了桥梁承载能力，增大了应力较大部位局部承载力，满足了加固后的汽车荷载等级公路-Ⅱ级；达到了加固提载的目的，保证了交通量的需求。

③ 桥梁加固后实测数据与模型计算理论数据存在差异，经分析产生的原因有：建立的有限元计算模型与桥梁的实际受力状态不符；人为原因、施工环境等因素影响了桥梁加固效果。

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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)

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.

truss arch bridge； load test； comparative analysis

2015 — 02 — 27

孙全胜(1968 — )，男，黑龙江哈尔滨人，教授，博导，主要从事大跨度桥梁的设计理论及加固研究。

U 448.22

A

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