17-箱形拱桥结构检测及加固处理_W

1、 西部交通科技 桥 隧 工 程 文章编号：（） 箱形拱桥结构检测及加固处理 李丽琳，李保军 （广西交通科学研究院，广西 南宁）摘 要：文章以梧州西江大桥箱形拱桥为例，在对桥梁结构进行外观检测的基础上，利用 建立模型，通过静载和动载试验分析了该桥的承载能力及结构力学特性，提出了相应的维修加固措施，并探讨了维修加固处理的工程效果。 关键词：箱形拱桥；有限元分析；荷载试验；加固措施 中图分类号：文献标识码： ， （，） ： ， ， ， ， ， ：； 引言城市、公路桥梁作为公众交通基础设施，它的安全与畅通与社会经济发展和人民生命财产安全息息相关。由于缺乏必要的健康监测和状态评估及养护维修，世界各地出现

2、了大量桥梁突然破坏和倒塌事故，给国民经济和生命财产造成了巨大 的损失，近年来世界各地发生的主要桥梁垮塌事故触目惊心。本文针对检测项目 中遇到的箱拱病害，提出一些相应的对策和加固措施。 作者简介 李丽 琳 （），女，广西桂林人，工 程师， 主要从事路桥试验检 测技术研究及桥梁设 计工作。 工程概况 梧州西江大桥主河桥属国道上的主要公路大桥，位于梧州市区西南，上跨 年第期 总第期 西河道，建成于年，是梧州市与区内外主要省区之间交通运输的枢纽桥梁。桥梁全长， 上构为悬链线钢筋混凝土箱形板拱 ，跨 径组合为 。拱轴系数 ，矢跨比。下构中 台为浆砌混凝 土预制块重力式桥台，明挖扩大基础， 台为混凝土组合

3、式桥台，沉井基础；桥墩均为钢筋混凝土重力式墩， 墩、 墩采用明挖天然基础， 墩采用钻孔嵌岩桩基础， 墩采用沉井基础。桥面系中桥面铺装为缝、混凝土剥落、露筋且锈蚀、混凝土开裂等病害，较年检测结果，各种病害均有明显发展趋势。其中拱上立柱帽梁出现的竖向裂缝、横向裂缝及拱上横墙帽梁出现的竖向裂缝，大部分为新增裂缝，裂缝宽度介于之间，绝大多数裂缝未超过规范限宽。立柱及横墙帽梁的混凝土剥落、露筋且锈蚀较严重，剥落数量多、面积大、部分深度值较大。拱上横墙出现较多竖向裂缝、混凝土开裂、剥离等情况，靠近主拱圈拱顶处的横墙病害较严重，混凝土开裂出现在横墙两侧面，较多侧面开裂发展成混凝土剥离。墩上横墙帽梁及墩上横墙

4、基梁出现少量竖向裂缝及横向裂缝，均为新增病害，部分裂缝超过规范限宽。墩上横墙出现较多竖向裂缝、横向裂缝等病害，多数门拱顶面横向裂缝与门拱上竖向裂缝连通，缝宽较大， 大部分竖向裂缝和横向裂缝已超过规范限宽。 （）主拱圈底面接缝出现少量填料缺失、渗水、泛碱，拱背接缝出现较多纵向裂缝。 （）行车道板接缝出现较多填料缺失，渗水、泛碱等病害。 （） 跨右侧人行道板出现较多混凝土剥落、露筋且锈蚀等病害。 （）墩、台帽梁出现少量混凝土剥落、露筋且锈 蚀。 （）桥面铺装层出现较多横向裂缝、网状裂缝、混凝土碎裂、坑槽。 （）人行道铺装层出现较多混凝土开裂脱落、横向裂缝、纵向裂缝等病害。 （）全桥伸缩缝均被泥土堵

5、塞。 （）全桥泄水孔均被泥土堵塞。 钢纤维混凝土铺装层，伸缩缝型钢伸缩缝，人行道栏杆采用镀锌钢管护栏。桥梁现状见图 。该桥主要技术标准： （）设计荷载等级：汽车超级、挂车，人群荷载 ；（）桥 面宽度：（人 行道） （行车道）（人行道）， 跨位于缓和曲线段，桥面两侧各加宽， 台两侧各加宽 ；（）设计洪水频率：；（）桥下通航净空：按三级航道标准。 图 桥梁现状图 结构检测 试验检测内容 （）在设计汽车荷载作用下的测试截面内力、挠度及试验车辆的配置等计算分析；（）选取 跨和 跨作为试验跨进行荷载试验；（）通过对试验的各项数据结果进行分析，鉴定桥梁的承载能力是否满足设计使用标准。 外观检测结果 （）主

6、拱圈底面有较多横向裂缝，裂缝分布于 截面段，缝宽均未超过规范限宽。与 年检测结果相比，新增裂缝主要出现于跨中附近。裂缝两年内的增长速度较快 ，新增裂缝长度占总长的 。主拱圈另有少量混凝土剥落、露筋且锈蚀，拱箱接头处角钢有少量裸露、锈蚀。 （）行车道板底面有较多横向裂缝，基本为新增裂缝，新增长度占总长的。裂缝缝宽较小，均小于规范限宽。混凝土剥落、露筋且锈蚀的新增面积占总面积的，发展较快。 （）拱上、墩上结构发现较多竖向裂缝、横向裂 有限元模型计算 为确定试验桥梁在设计汽车荷载作用下的测试截面内力、挠度及试验车辆的配置等，必须掌握桥梁的影响线分布，为此，可以通过有限元方法进行计算。计算工具采用 软

7、件及自行编制的 “成桥荷载试验车辆配置程序分析系统”进行计算分析，并采用交通部公路科学研究所开发的“公路桥梁 西部交通科技 结构设计系统 ”软件进行校核计算，最后确定试验车辆的数量、吨位和布载位置。有限元模型如图 所示，建模时采用以下假设： （）混凝土、钢筋为理想弹性材料，混凝土、钢筋的弹性模量为常数； （）不考虑桥面铺装的刚度对桥梁抗弯能力的提 高； （）截面变形符合平截面假设。 特性，包括自振频率、阻尼比、动应变和冲击系数等。脉动试验选取 跨和 跨桥面 截面、截面和 截面处，各设 个竖向振动测点，以测量桥梁的自振频率。 跑车试验选取 跨和 跨主拱圈 截面和 截面处分别布置 个纵向动应变测点

8、，采用混凝土应变片测量，共 个测点，采用 车和车作为跑车试验车，跑车时， 辆试验车按规定车速沿桥面行车道中线匀速往返行驶，采集 跨和 跨主拱圈的纵向动应变和动挠度。试验共设置 个试验工况：工况车载以匀速驶过全桥；工况车载以匀速驶过全桥；工况车载以匀速驶过全桥。 跳车试验选取 跨和 跨桥面 截面、截面、截面处各设 个竖向振动测点，以测量桥梁的自振频率和阻尼比（测定 跨时仅设置 跨桥面测点， 跨同）。 根据以上试验来分析结构在动荷载作用下的受力状态，并验证计算修改理论值。 图 梧州西江大桥主河桥有限元模型及单元划分示意图 （注：由于试验跨选定为 跨和 跨，有限元模型仅建 跨） 静载试验 试验方案试

9、验时选取一跨和 一跨作 为试验桥跨。每跨应变和挠度测试截面均为 个，共 个，主要测试截面和测试内容为：（） 跨主拱圈玉林岸拱脚截面、截面、截面纵向应变；（） 跨主拱圈玉林岸拱脚截面、截面、截面纵向应变；（）跨截面、 截面、 截面桥面处挠度；（）跨截面、截面、截面桥面处挠度。 安排个试验工况，采用 辆双轴载重车加载，以检测控制截面承受对称荷载和偏载时的承载能力， 工况均按级进行加载，级卸载。 试验结果 跑车试验时， 跨、截面和 跨 截面、 截面桥面测点加速度时程响应及响应谱曲线如图所示。 试验结果 （）工况时， 跨主拱圈各控制截面的主要 应变效验系数为，均；工况时， 跨主拱圈各控制截面的主要应变

10、效验系数为 ，均。 （）工况时， 跨主拱圈各控制截面桥面的主要挠度效验系数为，均，表明主拱圈的刚度满足检验荷载要求；工况时， 跨主拱圈各控制截面桥面的主要挠度效验系数为 。 图加速度时程响应曲线图 动载试验 试验方案动载试验包括振动频率和动位移测量两个部分， 通过测量的数据和记录的波形，得到桥梁结构的动力 图 加速度响应谱曲线图 年第期 总第期 数为，均；工况时， 跨主拱圈 各控制截面的主要应变效验系数为，均 。应变校验系数均，表明主拱圈的强度满足试验荷载要求。（）在静载工况时， 跨主拱圈各控制截面桥面的主要挠度效验系数为，在静载工况 时， 跨主拱圈各控制截面桥面的主要挠度效验系数为，挠度校验

11、系数均 ， 表明主拱圈的刚度满足试验荷载要求。（）在各静载工况下， 跨和 跨主拱圈的相对残余应变和相对残 余挠度均，说明主拱圈仍处于弹性状态。（）对梧州西江大桥主河桥的结构固有频率测定，实测 固有频率均大于理论计算频率，说明桥梁上 构的动刚度满足要求。 综上所述，在试验荷载作用下，梧州西江大桥主河桥的整体承载能力满足汽 超、挂设计荷载的要求。 跳车试验时，动力测试得到梧州西江大桥主河桥 桥梁结构的典型加速度响应曲线及其频谱图曲线（见图）。 图 加速度时程响应曲线图 通过对各频谱图进行分析，可以得出梧州西江大 桥主河桥的前 阶竖向弯曲振动固有频率，具体见表。 表 梧州西江大桥主河桥固有频率及阻尼

12、测试结果一览表 维修加固处理意见 项目试验值 计算值 第阶第阶 从检测结论看，梧州西江大桥主河桥和汊河桥总体技术状况等级评定为三类，处 于较差状态。从 年到年横向裂缝、竖向裂缝、混凝土剥落、渗水、泛碱病害的增长率数据看，桥梁主要病害均呈加速发展态势，其原因在于该桥现交通量日益增加， 重车载重超过原设计荷载等级，桥梁健康状态日益受 到威胁，安全隐患日益增加，使用寿命加速衰减。因 此，梧州西江大桥主河桥和汊河桥的维修加固十分必 要和迫切。各部件具体维修加固处理措施如下： （）对主拱圈裂缝较多的桥跨处进行裂缝封闭和粘贴钢板加固处理，限制裂缝的快速发展。对主拱圈钢筋、角钢进行除锈后再采用环氧砂浆对破损

13、部位进行修补。 （）对裂缝较多的行车道板粘贴碳纤维布进行加固和限制裂缝的发展。对钢筋进行除锈后再采用环氧砂浆对破损部位进行修补，对钢筋锈蚀严重影响到承载力的板进行粘贴碳纤维布补强。 （）对拱上、墩上结构裂缝进行封闭，开裂、剥离严重的拱上横墙、帽梁采用外包钢筋混凝土的方法进行加固，对混凝土轻微剥落处用环氧砂浆修复平整。 （）对主拱圈拱背裂缝进行封闭处理，重新浇注底面接缝缺失填料处；清理行车道板病害接缝，重新 （下转第页）竖弯频率（） 阻尼比（）注：计算固有频率值未考虑栏杆和桥面铺装层的质量与刚度。 根据试验数据得知：实测的 跨和 跨的一阶 和二阶固有频率均大于理论计算频率，该桥上构的动刚度满足要

14、求； 跨和 跨的实测冲击系数均大于计算值；本桥阻尼比为 ，在合理范围之内。 检测试验结论 外观检测结论 梧州西江大桥主河桥主拱圈和行车道板横向裂缝较多、裂缝发展较快，拱上帽梁横向、竖向开裂，部分 拱上横墙混凝土严重剥离，削弱了构件受力面积， 影响了行车道板的支承条件。根据公路桥涵养护规范（）有关规定，按照重要部件最差的缺损状况的评定方法，梧州西江大桥主河桥总体技术状况等级评定为三类，处于较差的状态。 荷载检测结论 该桥荷载试验结果及分析表明：（）在静载工况时， 跨主拱圈各控制截面的主要应变效验系西部交通科技 ， ，下斜腿截面 ，上斜腿截面 。根据结果，加固后桥梁承载能力满足规范要求，可以通过此

15、种大型车辆。 止在桥上制动或变速 。参考文献 权在土木工程中的应用北京：人民邮 ， 李电结论龚曙光，黄云清有限元分析与 编程及高级应用北械工业， （）此种加固方法从理论计算上能够满足大型运 输车辆荷载的要求，对广西路网中其它同类型的桥梁加固方案选用能够起到借鉴作用。 （）本次加固方案的确定，在计算时考虑了车辆冲击力的影响，但冲击系数的取值只是基于桥梁理论计算频率，与实际桥梁频率将有所差别。因此，建议大型车辆通过桥梁时应控制车速匀速、低速行驶，禁 博弈创作室 经典产品高级分析技术与实例详解北京：中国水利水电， 王勖成有限单元法北京：清华大学， 收稿日期： 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪

16、檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第页）结论浇注接缝混凝土或灌浆。 （）更换或粘贴碳纤维加固 跨右侧人行道板，其余采用钢筋除锈环氧砂浆进行修补。 （）采用钢筋除锈 环氧砂浆对墩、台帽梁混凝土剥落、露筋且锈蚀处进行修补。 （）重新砌筑浆砌片石锥坡和人行步梯。 （）全桥局部更换桥面铺装层。 （）拆除旧人行道铺装，重新铺筑人行道铺装层。 本文以广西梧州西江大桥主河为工程实例，对其结构承载力状态进行了理论分析和桥梁检测（含荷载试验），全面评估结构性能及使用功能是否满足设计要求，评定桥梁的现有承载力，为桥梁运营的安全性提供技术依据 ，并 为今后桥梁维护 、管 理提供原始资料。实践证明，旧桥的检测、评定与加固是一项既综合繁杂，又在不断发展创新、逐步完善的技术，也是桥梁建设可持续发展的一个重要组成部分和关键技术之一，为延长桥梁的使用寿命起到更加重要的作用。 维修加固后的效果 粘贴