大跨径混凝土石拱桥加固检测与评估

简华伟 刘美玉 刘英伟

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024）

0 引言

桥梁跨径布置为2×72m的石拱桥，全长165.83m，桥面布置为1.75m(人行道及栏杆)+7.0m（行车道）+1.75m(人行道及栏杆)，桥梁总宽 10.5m，该桥上部结构为石砌等截面上承式板拱桥，矢跨比1/7，主拱圈高1.4m，宽 7.5m，拱上结构为拱式拱上建筑。下部结构为重力式墩台，均为扩大基础，重力式桥墩。桥面铺装层为混凝土。

由于本桥设计年代久远，目前桥梁存在不同程度的病害，加之桥梁位于城区，两岸车辆较多，为了满足现有运行量的要求，对本桥进行加固改造设计，以达到美观实用、缓解交通压力的目的。改造后的结构主体满足公路-Ⅱ级荷载等级的要求。

为了确保加固过程中主体结构始终处于安全的受力状态，就需要进行监控。同时，为了使得加固效果更为合理，首先需要拟定合理的加固顺序。施工监控工作是在给定的施工路径下进行的所有监测和控制工作的总和，监控的主要目的是确保施工按照预定的路径实施，最终达到预定的受力状态。

图1 加固前桥梁立面图

1 监控的理论、方法及设备

1.1 监控理论

本桥梁的监测主要采用自适应控制法，该方法适应现代桥梁结构高次超静定、施工工序多和影响因素复杂的特点。通过反馈控制，桥梁施工过程中的各种设计参数误差和环境因素干扰等得到及时辨识修正，并实时指导后续的施工作业，从而确保施工控制目标的实现。

1.2 误差分析与预测方法

由于测量数据不管是应力还是挠度数据，都是包括结构真实响应、环境误差影响后的表观值，数据成分中仅有结构真实响应是对监控有意义的。由于拱桥结构受温度等因素影响较大，监控测试工作首先应该选择在外部影响因素较小的情况下进行，尽量避免系统误差。同时，根据对敏感参数的敏感性分析，可以对实测数据进行参数识别，本项目采用最小二乘法对温度等参数进行了识别，进而剔除了温度对测试结果的影响。

1.3 监控的主要仪器

应力测试选用钢弦式应力传感器若干和钢弦式应力传感器读数仪 1台；标高位移测量选用精密水准仪和全站仪拓普康。

2 监测方案

2.1 应力监测方案

护国大桥应力测点布置在各跨拱脚、1/4截面、拱顶和3/4截面。拱圈截面应力测点（包括新增混凝土截面）如下：

图2 主拱截面拱顶控制界面应变测点布置及大样图

图3 主拱截面拱脚段控制界面应变测点布置及大样图

2.2 挠度监测方案

护国大桥挠度测点布置在各跨1/4点位置。

2.3 监控预警机制

监控预警以主要承载结构——主拱的控制截面应力作为指标。以“主拱控制截面应力是否超过某一限值为依据，超限则发出预警”，并进行施工工序调整以防止结构朝受力不利方向继续发展。

3 监测结果及分析

按照加固施工顺序，重点测试了各个工况下控制截面的应力和挠度。具体的施工顺序如下表1所示。

表1 混凝土大桥加固维修施工顺序

3.1 有限元模型

除了实测截面应力和挠度之外，还采用有限元软件Midas/Civil 2015版建立有限元模型，对石拱桥施工阶段受力进行分析。其中桥面铺装考虑为荷载作用，而不参与结构受力；对主拱圈和腹拱圈采用外包混凝土进行加固过程采用“施工阶段联合截面”功能进行实现；模型中的相关参数均按维修加固设计文件、检测结果及提供模型中的相关参数进行取值；边界条件按桥梁实际情况进行模拟。

结构共离散为381个节点，350个单元，模型如图4所示。

图4 混凝土拱桥有限元模型

3.2 实测结果与计算结果的对比分析

主要对实测和ansys软件计算下，主拱圈监控控制截面在各个施工阶段下的挠度和应力进行分析。图4中第一跨和第二跨的左拱脚、1/4截面、拱顶、3/4截面和右拱脚对应的截面分别为A1、A2、A3、A4、A5和B1、B2、B3、B4和B5。监测和计算都给出了每个截面在每种工况下的应力和挠度的实测值和理论值，观察数据可以发现，实测值和理论值相差不大。

这里，选部分截面为例来说明，列出A1、A3、A4和B1截面对应的应力实测值和理论值的对比图，以及A3截面对应的挠度的实测值和理论值的对比图，如下所示。

图5 A1截面上缘在各工况下的应力计算值与实测值对比（MPa）

图6 A3截面上缘在各工况下的应力计算值与实测值对比（MPa）

图7 A4截面上缘在各工况下的应力计算值与实测值对比（MPa）

图8 B1截面上缘在各工况下的应力计算值与实测值对比（MPa）

图9 A3截面在各工况下的挠度计算值与实测值对比（mm）

图10 B3截面在各工况下的挠度计算值与实测值对比（mm）

注：以上对比图的实测源数据，是在原始数据基础之上经误差分析后得到的。误差主要来源包括，温度对结构的影响，这部分计算值未考虑，在进行对比的时候对实测数据进行了温度敏感性分析。

从以上对比分析图，可看出理论计算同实测结果吻合情况较好，且实测控制截面应力始终未超过材料容许强度，说明结构始终处于安全状态。

3.3 加固完成后桥面线形

采用精密水准仪对成桥后桥面线形进行了测量，监测控制网采用二等水准路线闭合控制精度。

成桥后桥面共设置63个线形观测点，上、中、下游各布设一条测线，每条测线共21个测点，观测点顺桥向均位于各跨拱脚、1/8截面、跨中位置、桥墩顺桥向中心及桥台距桥台端拱脚5m位置。大桥左、中、右线截面控制点实测标高趋势线见示意图11。

图11 桥面控制点实测标高趋势线示意图

由图11可以看出：桥面线形平顺，左线、中线和右线桥面线形吻合较好。

4 结论

通过全程监控加固过程，实测各控制截面应力及挠度，并经大量分析，得到以下结论：

1、对比理论与实测数据（剔除误差得到有效数据），理论与实测数据较为吻合，表明加固依循预定路径得到了较好的实施。

2、加固全过程，主拱结构始终处于弹性范围，安全得到保障。