某大跨度混凝土拱桥灾后加固及其效果评定.pdf

第 4 l卷第 1期 2 0 1 5年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 9l 某大跨度混凝土拱桥灾后加固及其效果评定 魏常宝， 钱铭 ( 甘肃土木工程科学研究院， 甘肃 兰州7 3 0 0 2 0 ) 摘要： 以舟曲城江大桥为例， 对大跨度混凝土拱桥加固方法与加固效果评定进行研究 ， 介绍了大跨度混凝土拱桥 常规且有效的加固方法 ， 以及对加固效果的技术验证。采用车辆静态加载和动态加载的方式对桥梁加固后的静力 力学性能和动力特性进行检验 ， 以验证和评定加固效果。 关键词： 混凝土拱桥； 加固； 评定 中图分类号： T U 9 9 7 文献标志码： B 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 5 ) O 1 0 9 1 0 5 0 引 言 近年来 自然灾害频发 ， 尤其是山区或峡谷地带 地 区的建筑 、 桥梁 、 道路等基础设施易遭受地质灾害 影响。“ 8 8 ” 舟 曲特大 山洪泥石流灾害后 ， 县城大 量建筑 、 桥梁受灾。成 江大桥是泥石流灾害后仅存 的一座勉强能够继续通车的大桥， 其部分构件受 到损伤。本文以舟曲城江大桥为例， 重点介绍大跨 度钢筋混凝土拱桥 的结构加 固与承载力评估 ， 舟曲 城江大桥的立面如图 1所示。 些 些 图 1 舟 曲城江大桥立面 1 工程概 况 舟曲城江大桥于 1 9 9 7年建成通车， 位于舟曲县 城 的重要干道上 ， 对连接舟曲县城 白龙江两岸 的交 通起着十分重要的作用 ， 是舟曲县城 的主要桥梁之 一 ，也是“ 8 8 ” 舟曲特大山洪泥石流灾害后剩余的 唯一一座通车桥梁 ， 至今运营 已十余 年。该桥上 部结构为主跨 7 0 I n的钢筋混凝土桁架拱桥 ， 桥梁全 长 1 0 3 5 m， 桥宽 9 5 m， 矢跨 比为 1 7 。下部结构 主桥桥 台为重力式桥 台， 采用 C 1 5片石混凝 土， 基 础为三台阶片石混凝土扩大基础 ， 引桥桥台为 u形 轻型桥 台， 采用 C 2 0现浇混凝土 ， 基础持力层为基 岩。该桥于 2 0 1 2年 3月开始进行维修加 固， 主要进 收稿 日期 ： 2 0 1 3 8 - 2 0 作者简介 ： 魏常宝( 1 9 7 9一)， 男 ， 工程 师 ， 主要 从事工 业 与民用建 筑 工程检测 、 鉴定与加固改造的技术工作 。 E ma i l ： d a b l e 2 0 0 5 1 2 6 t o m 行了拱肋粘贴钢箱加固 、 节点钢套箍加固、 横向联系 加固及新增上弦杆底部粘钢加 固、 悬臂构件粘钢加 固、 桥面系改造及人行道板栏杆更换等。 2混凝土拱桥加 固改造方法 2 1 混凝土主拱肋加固 混凝土主拱肋加固上 、 下缘采用粘贴钢箱梁进 行加固 。 J ， 拱脚处采用粘贴钢板进行加固， 如图 2 、 3所示 。加固时钢板粘贴 ( 焊接 ) 的主要顺序为 ： 钢 板和混凝土表面的处理一拱肋钢箱与拱肋直接相粘 贴钢板的锚固一侧面钢板和锚固的钢板焊接一钢箱 与拱肋直接相粘贴的钢板及侧面钢板压力注胶粘贴 一 拱肋钢箱封 口钢板和侧面钢板焊接成钢箱梁。 图 2 拱脚粘钢加 固 图3 拱肋粘钢箱加固 9 2 四川建筑科学研究 第 4 l卷 在拱肋上 、 下缘钢箱 间， 每隔 1 m采用厚 6 mm、 宽 1 0 c m、 高 5 5 c m的缀板相连接 ， 钢缀板与上 、 下缘 钢箱侧面钢板采用对接焊缝焊接连接。 2 2横系梁维修加固 对 已破损横系梁的破损混凝土进行凿除， 将原 钢筋拉直对接 ， 然后 外包钢套箍 ， 再灌 C 4 0自流式 灌浆料进行加固。对其余未破损的横系梁直接外包 钢套箍 ， 再灌 C 4 0自流式灌浆料进行加 固。原有横 系梁维修补强的钢套箍与拱肋相连接的位置采用对 接焊缝与拱肋及弦杆连接 ， 同时部分节点处新增 型 钢横系梁 ， 做法见图 4 。 图 4 横 系梁维修加固 2 3上弦杆加固 上弦杆底部粘贴与上弦杆等宽的 6 mm厚钢板 进行加 固 ， 用锚栓将上弦杆与底部钢板锚 固在一 起 ， 再采用注胶法进行粘贴 ， 做法见图 5 。 图 5 上弦杆粘钢板加 固 2 4悬臂构件加 固 悬臂梁与上弦杆分别粘贴两块 4 0 e m X 1 8 c m 的钢板 ， 并焊接在一起 ， 加一块宽 1 8 e m的缀板焊接 为一个三角斜撑 ， 并用钢板将粘贴钢板与上弦杆底 部钢板链接为一个整体， 粘贴钢板先用锚栓锚 固在 悬臂梁及上弦杆上 ， 后注胶法进行粘贴。 悬臂板与上弦杆分别粘贴两块 4 0 e m x 2 3 2 c m 的钢板 ， 并焊接成为角形整体 ， 先用锚栓锚 固在悬臂 板和上弦杆上， 再采用后注胶法进行粘贴 ， 加固做法 见图 6 。 图 6 悬臂构件加 固 2 5 节点及斜腹杆加固 斜腹杆与上弦杆及斜腹杆 与主拱肋的交接位 置 ， 斜杆采用四周粘贴 6 0 c m 高 6 mm厚的钢套箍 进行加固 ， 并将斜腹杆粘贴钢板组成的钢套箍 与上 弦杆底部粘贴钢板或与主拱肋顶部粘贴钢箱焊接为 一 个整体， 再采用后注胶法进行粘贴。对斜腹杆有 混凝土剥落或破损的应先进行混凝土修补， 然后在 节点处采用碳纤维环包进行耐久性处理 ， 最后再采 用四周粘贴 6 0 c m高 6 mm厚钢套箍进行加 固， 做 法 见图 7 。 图 7 节点 区加固 2 6 桥面系改造 原桥桥面向下凿 除 5 c m， 在凿除 5 c m基础上 涂 1 mm防水层 ， 并铺 设钢筋 网 ， 再 浇筑 1 0 c m 厚 C 4 0防水混凝土 J ， 双 向 1 5 横坡 。钢筋 网采 用 双向钢筋网， 下部横 向钢筋采用 b 1 6 1 0 0 ， 上部纵 向钢筋采用 b 1 2 1 0 0 。 3混凝土拱桥 加 固效果评 定 3 1 拱桥技术状况评定 3 1 1 构件 评 定 舟曲城江大桥上部结构为桁架拱桥 ， 2 0 1 2年下 半年经过加固后对其结构构件进行评估 。桥梁上部 2 0 1 5 N o 1 魏常宝， 等 ： 某大跨度混凝土拱桥灾后加固及其效果评定 9 3 结构主拱肋及微弯板基本无缺损， 无病害， 评定类别 为 1 2 。桥梁斜腹杆无缺损 ， 完好 ， 评定类别为 1 。 桥横向连接系( 横系杆、 横 系梁 ) 无缺损 ， 完好 ， 评定 类别为 1 。桥面板无缺损 ， 完好 ， 评定类别为 1 。桥 台台身局部有轻微缺损， 基本无病害， 评定类别为 1 2 。桥台台帽仅有少量缺损， 部分碳化， 无孔洞、 裂 缝 ， 评定类别为 1 2 。桥 台基础无缺损 ， 基本完好 ， 评定类别为 1 。桥面铺装无缺损， 完好， 评定类别为 l 。伸缩装置无缺损， 完好， 评定类别为 1 。栏杆、 护 栏无缺损 ， 完好 ， 评定类别为 1 1 。 按照 公路桥梁技术状况评定标准 ， 将上部 结构、 下部结构、 桥面系构件的相关数值代人公式计 算得桥梁上部结构系统的评定结果。该桥上部结构 拱肋构件评定均值为 9 8 4 5 ， 最小值 为 9 8 3 7 ； 横 向 连接系构件评定均值和最小值均为 9 8 6 2 ； 桥面板 构件评定均值和最小值均为 9 4 6 5 ； 桥台构件评定 均值和最小值均为 9 5 5 7 ； 基础构件评定均值和最 小值均为9 6 6 3 ； 桥面系( 桥面铺装、 伸缩装置、 人行 道、 栏杆 、 排水系统及照明 ) 构件评定均值和最小值 均为 1 0 0 。 3 1 2总体技 术状况评定 根据标准 ， 桥梁总体技术评定的公式为： Dr = BDCI WD + S PCI Ws P+ SBCI Ws B 式中 D r 桥梁总体技术状况评分， 值域为0 1 0 0分 ； 桥面系在全桥 中的权重， 取值 为 0 2 0； 上部结构在全桥中的权重， 取值为 0 4 0； 后轴 下部结构在全桥 中的权重， 取值为 0 4 0。 舟 曲城江大桥桥 面系技术状况评定评分 B D C I = 1 0 0， 上部结构技术状况评定评分 S PC I=9 5 1 2 ， 下部结构技术状况评定评分值 S B C I= 9 6 0 4 。 根据公式计算， 舟曲城江大桥桥梁总体技术状 况评分为： Dr =1 0 0 0 2 +9 5 1 20 4 +9 6 0 4 0 4 = 9 6 46 舟曲城江大桥总体技术状况评定值 9 6 4 6 ， 标 度为 1 类 ， 基本完好 ， 能维持正常使用功能。 3 2 拱桥承载能力评定 3 2 1 理论计算分析 理论计算分析的 目的是计算出该桥的主要力学 指标 ， 通过理论分析的结果对该桥的状况进行客观、 真实 的评定与对比。根据相关规范的要求以及舟曲 城江大桥的实际情况 ， 采用空 间有限元法对该桥进 行了理论计算分析 ， 建立 了空间有限元计算模型 ， 分 别计算了各种工况下结构 的变形 以及 自振频率、 振 型等参数 ， 并与实测结果进行对比， 从而对舟曲城江 大桥 的承载能力进行评估和鉴定 。 3 2 2静 载试验 根据桥 的结构形式和现场加载条件 ， 共选定 了 1 3个工 况 ， 分别 在 南边 跨 1 2 L、 南拱 脚处 、 1 4 L 、 1 2 L 、 3 4 L截面处进行加载 ， 测试各种工况作用 下舟曲城江大桥各个控制截面上各个测点的应力和 挠度 ， 对该桥承载能力进行评 估 ， 判 断该桥 的工 作性能 ， 如图 8所示 。 后轴 后轴 图 8 桥 梁加载示意 对称加载时， 桥梁实测变形与理论计算值基本 一致 ， 桥梁处于小变形状态， 主拱肋的最大竖向 四川建筑科学研究 第4 l 卷 位移发生在跨 中截 面， 其 最大竖 向位移 =一7 6 m m， 满足 公路桥梁钢筋混凝土及预应力混凝土桥 梁设计规范 的规定 ， 即拱桥的最大挠度不应超 过计算跨径的 1 8 0 0的限值要求。检测各种工况下 各测点位移校验 系数都小于 1 0， 表 明桥梁 的实际 状况要好于理论状 况。检测相对 残余变位均小 于 7 ， 其值较小， 根据 公路桥梁承载能力检测评定 规程 _ 5 ， 说 明结 构弹性状况很好。整个静位移 测 试过程 中， 各个测 点 的竖 向位移 未发生异常变化。 由以上静载位移分析结果可以看 出， 舟曲城江大桥 的承载能力满足设计荷载的要求。选取大桥主拱肋 竖 向位移为例说明大桥的加固效果 ， 计算与实测结 果汇总见表 1 。 表 1 大桥主拱肋各测点竖向位移理论值、 实测值对比 工 况位 移 测 点 塞 工 况位 移 测 点 主桥 1 4 0 6 2 0 5 主桥 1 4 1 2 1 0 9 工 况 t 圭 ：；。0。1。 工 况 2 主_qE桥 ： 31 4 2 一- 。0 446l 一- 。0 北拱脚一1 5 3 1 2 北拱脚 一 0 0 2 0 0 1 主桥 1 4 1 5 2 1 2 主桥 1 4 2 0 2 1 8 工况 3 主 桥 N 3 1 4 2 一 o 。 1 4 2 3。 0 3 41 工 况 耋 一- 3 12一- 2。 北拱脚 一 0 5 3 0 4 北拱脚 一 0 7 4 0 6 主桥 1 4 1 ， 7 3 1 3 主桥 1 4 0 2 2 0 1 工 况 5丰 2一 o 4 4一 o 3 工 况 6主 桥 31 4 2 一 - 2 0 9 l 4 7 一 -0 1 主 轿 3 4 0 6 4 0 2 北拱脚 1 2 3 1 0 j E 拱脚0 1 6 0 1 主桥 1 4 0 5 4 0 4 主桥 1 4 0 7 2 0 6 工 况 ， 耋 -。 0。 1 。- 0。1l 工 况 s 圭 ； 一- 0。 80 一- 0。 北拱脚一0 4 2 0 3 北拱脚 一 0 6 0 4 主桥 1 4 1 5 7 1 3 主桥 1 4 2 6 7 2 1 工 况 圭 一- 0。 。8 9。 一- 。0 工 况 t。 圭 一- 7 阱2 1一- 6： 北拱脚 一0 9 1 0 7 北拱脚一 3 1 1 2 0 主桥 1 4 0 7 8 0 6 主桥 1 4 2 1 9 1 9 工况 l l主3 E 桥 3 1 4 2 一 - 6 3 0 l 4 2 一 - 5 2 工 况 1 2 丰 0 2 8 2 3 7 6 王 骱 3 48 1 5 7 0 北拱脚 一0 5 6 0 5 北拱脚 1 6 7 1 6 工 况1 3 丰 4 5 1 5一 工 - 3 。 0 ： 2 。 -2 现场应力测试和理论计算值相比， 各种工况作 用下 ， 舟曲城江大桥各控制 截面上各个测点的应力 实测值基本上未出现异常变化情况 ， 最大拉应力 和 最大压应力没有超过规范的规定值， 且实测值的变 化规律和理论分析结果基本保持一致。 主桥应力校验系数基本小于 1 0 ， 符合规程 J 中 1的规定 ， 表明舟曲城江大桥 的结构强度和刚 度满足设计荷载汽 一 2 0、 挂 一1 0 0级的要求 。 3 2 3动 载试验 通过脉动试验 、 跑车试验、 刹车试验来测试桥梁 结构 自振特性 _ 2 ， 即固有 的动力 特性参数 ( 如频 率、 振型和阻尼系数等) 。通过施加动力荷载( 行车 激振试验) ， 使桥梁结构产生强迫振动， 对其动力响 应参数 ( 动力冲击系数等) 进行测试。 公路桥涵设计通用规范 叫 规定， 当结构基频 1 5 H z 1 4 H z 时 ， 桥梁理论 冲击系数为 1 2 1 ， 动 载试验实测的冲击系数为 1 1 2 ， 实测值小于理论 值， 满足规范 要求。 3 2 4 拱桥承栽能力评 定 混凝土桥梁承载能力极限状态 ， 应根据桥梁检 测结果按下式进行计算评定 ： 。s尺 ， a a ， 。 a 山) Z t ( 1一 。 ) 式中 。 结构重要性系数； s 荷载效应函数； ( ) 抗力效应函数； 厂 d 材料强度设计值； 口 构件混凝土几何参数值； 口 山 构件钢筋几何参数值； z ， 承载能力检算系数 ； 承载能力恶化系数 ； 配筋混凝土结构的截面折减系数； 。 钢筋的截面折减系数。 根据计算， 拱脚截面最大承载力理论值为： Nu= d 1 b 2 + -厂 A 8 2 + l A l s 。 l A 。 l s 日 2 A =5 2 7 5 6 k N 其中， s 取南拱脚截面内力组合最大轴压力， 计算数 值为 一5 0 8 4 2 k N， R取 N u = 5 2 7 5 6 k N。 yo S =1 0 5 08 4 2 =5 0 8 4 2 k NN Zl ( 1一 。 ) = 5 2 7 5 61 1 3 5( 1 0 0 5 ) =5 68 8 4 k N 承载能力满足要求。 3 3拱桥加固效果评价 舟曲城江大桥于 2 0 1 1年 5月进行加固前的检 测评定 ， 该桥 2 0 1 2年 8月加 固施工完成并进行加固 后的检测与评定。桥梁加固后 ， 各项物理力学性能 指标均有提高 ， 结构性能有较大改善。加 固前后主 拱肋抗弯、 抗压承载能力结果比较见表 2 ， 加固前后 主拱肋截面应力结果比较见表 3 ， 加固前后主拱肋 截面挠度结果 比较见表 4 ， 加 固前后动力特性 比较 见表 5 。 表 2 加固前后主拱肋抗压承载能力结果比较 比较项 目 加 固前 加 固后 承载力提高百分 率 抗压承载力 k N 4 8 5 3 6 5 2 7 5 6 8 7 2 0 1 5 N o 1 魏常宝， 等 ： 某大跨度混凝士拱桥灾后加固及其效果评定 9 5 表 3 加固前后主拱肋截面应力结果比较 表 4 加固前后主拱肋截面挠度结粜 匕 较 法可行有效； 加固后静力特性和动力特性得到明显 改善 ； 承载力能够达到汽- 2 0 、 挂 1 0 0的设计要求 ； 对 其他类似桥梁的维修加固及检测鉴定有一定借鉴意 义 。 致谢 ： 本文的撰写以兰州交通大学土木工程学院师生 的技术工作 为基础 ， 在此对 兰州交通大学土木工程 学院王根会教授及参与工程的全体师生所做的技术 工作表示感谢。 表5 加固 前后 桥的动力特性 匕 较 参 考 文 献： 桥梁振动频率 项 目 实测值 理论值 频率 H z 提高百分率 频率 H z提高百分率 表中加固前的数据均为 2 0 1 1 年 5月检测评定 之数据， 引用于舟曲城江大桥技术状况与承载能力 评估检定报告u 。 经加固前后数据对比分析， 舟曲城江大桥维修 加固后承载能力有了较大的提高； 位移变形有了明 显的减小。频率有了大幅度的提高， 动力特性情况 明显改善； 加固后的静力刚度、 动力刚度均得到提 高， 强度亦得到提高， 强度、 刚度及稳定性均满足设 计和使用要求； 舟曲城江大桥维修加固后的承载能 力满足设计承载的要求 。 4 结语 根据对舟曲城江大桥的加 固与加固后荷载试验 及其评定 的结果表明， 大桥主体结 构采用 的加 固方 1 兰州铁成工程检测有限公司， 甘肃土木工程科学研究院， 兰州 交通大学 舟 曲城 江桥 技术 状 况 与承 载 能力 评 估 检定 报 告 R 兰州 ： 兰州铁成 工程 检测有 限公 司， 甘肃土 木工 程科学 研 究院和兰州交通大学 ， 2 0 1 2 2 施洲， 蒲黔辉， 等 钢筋混凝土拱桥加固后静动力性能评定 分析 J 】 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 3 ) ： 7 9 - 8 2 3 杜法根 ， 蒙云， 等 钢筋混凝土拱桥加固技术 J 交通科技 与经济 ， 2 0 0 7， 4 4 ( 6 ) ： 7 4 杨敏， 窦春风， 等 双曲拱桥检测评定及加固方案设计 J 山西建筑 ， 2 0 0 8， 3 1 ( 3 4 ) ： 3 o 4 - 3 0 5 5 J T G T H 2 1 2 0 l l 公路桥梁技术状况评定标准 s _ 6 郑立飞， 王根会 既有钢筋混凝土双曲拱桥承载能力评估 J 兰州交通大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 7， 2 6 ( 1 ) ： 5 6 - 5 9 7 郑玉国， 钟新谷， 等 某双曲拱桥检测及加固方案设计 J 山 西建筑 ， 2 0 0 4， 1 I ( 3 0) ： 1 7 7 1 7 8 8 季 日臣， 王根会 既有桥梁的静动力分析与鉴定评估 J 城市 道 桥与防洪 ， 2 0 0 6， 1 ( 1 ) ： 3 2 - 3 4 9 J Tr G D 6 0 -2 0 0 4公路桥涵通用设计规范 S 1 0 J T G D 6 2 -2 0 0 4公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 范 s 1 1 康希良， 王根会 新城黄河大桥系杆拱结构加固方案研究 J 甘肃科学学报 ， 2 0 0 2， 6 ( 1 4 ) ： 4 7 - 5 0