東關雙曲拱橋典型病害分析及荷載試驗研究

■盧益平

（南平市公路局直屬分局，南平　353000）

東關雙曲拱橋典型病害分析及荷載試驗研究

■盧益平

（南平市公路局直屬分局，南平353000）

作為我國早期常見的公路橋型——雙曲拱橋，經過多年的運營，已不同程度地出現了許多病害。本文結合邵武地區富下線公路50m跨徑雙曲拱橋——東關大橋，討論了該橋的典型病害及成因分析，并給出了相應的維修加固建議方案。通過荷載試驗及理論計算表明，該橋在靜載作用下橋梁主要控制截面的撓度和應變均滿足規程要求，橋梁滿足設計荷載通行等級要求。

雙曲拱橋典型病害成因分析荷載試驗

0　前言

雙曲拱橋是我國廣泛應用的一種公路橋型，在20世紀60、70年底大量修建，它是在石拱橋的基礎上吸取了鋼筋混凝土結構技術而創造出的新穎結構形式，對當時的交通發展起到了良好的推動作用。但隨著我國經濟建設的迅速發展，交通運輸量大幅度提高，公路形成密度急劇增大，車輛載重顯著增大。現存雙曲拱橋中大部分已經不能滿足使用上的要求。其中有的是由于在長期使用中已經發生老化、出現種種病害，嚴重影響了承載能力；也有一些是由于以往設計荷載標準偏低，無法滿足現今荷載等級提高的需要，出現了不同程度的病害，甚至危及行車安全。因此對現有的雙曲拱橋進行了病害的現場調查及分析，通過靜載試驗驗證橋梁的承載安全性就顯得十分必要。

本文以東關大橋為工程背景，對既有鋼筋混凝土雙曲拱橋的典型病害及病害成因進行分析，并結合雙曲拱橋自身的結構特點，進行了相應的荷載試驗，檢驗該橋的結構安全性能。

1　工程概況

東關大橋位于邵武地區富下線公路K233+700處，于1982年5月建成，該橋為5跨50m雙曲拱橋+4跨10m板拱，跨越富屯溪。橋梁全長346.9m，橋面總寬12m，行車道寬9m，設計荷載為汽車-20級，掛車-100。該橋橫向由7片鋼筋混凝土拱肋和混凝土拱波組成，拱肋由橫系梁連接。該橋為直線橋，設計橫坡2%，橋面采用水泥混凝土。上部構造主跨為5×50m鋼筋混凝土雙曲拱，下部構造為實體橋墩、石砌U型橋臺、擴大基礎，橋梁布置如圖1所示。

圖1　東關大橋布置示意圖

2　典型病害及成因

2.1典型病害調查

東關大橋上部結構典型病害表現為多處腹拱滲水，多處拱肋大面積滲水，多處拱波出現縱向裂縫。第一跨出現拱肋滲水泛白8處，拱波裂縫1處；第二跨出現拱肋滲水泛白6處，拱波裂縫2處，腹拱立柱滲水1處；第三跨出現拱肋滲水泛白4處，腹拱滲水2處，拱波縱向裂縫2處；第四跨出現拱肋滲水泛白3處，腹拱滲水1處，拱波裂縫2處；第五跨出現拱肋滲水2處，腹拱滲水1處，如下圖2所示。拱波裂縫多為縱向貫通單片拱波，寬度在0.2mm左右。

2.2病害成因分析

（1）多處拱肋出現滲水泛白，主要原因是拱波與拱肋間砌縫擴展而導致滲水現象，說明拱肋與拱波交界處出現順跨徑方向的水平向裂縫。形成原因主要為施工過程質量控制不夠嚴格，或拱圈剛度不足，拱波、拱肋間結合面薄弱，受力不均衡造成。

圖2典型病害圖示

（2）多處拱波出現縱向裂縫，該病害是雙曲拱橋最常見的病害。其主要原因有：①拱波偏薄，鋼筋保護層不足；②建設時鋼材用量不足，拱波配筋少，有的拱波配置的鋼筋網鋼筋間距過大；③橫向聯系相對比較薄弱，橋梁運營時荷載實際橫向分布不均勻，在拱波受荷載作用時，各片拱肋豎向位移不一致，使得拱波受力不均；且雙曲拱橋拱頂處最為薄弱，從而產生縱向裂縫；④橋梁長期超流量車輛通行，則會加劇該類病害的發展。

（3）腹拱出現滲水現象，原因在于結構防水層由于多年的運營使用遭到一定的損壞而失效。橋面鋪裝開裂較為明顯，且排水系統普遍存在堵塞現象，說明橋梁的日常養護工作不夠到位。

3　靜載試驗

3.1試驗工況及測點布置

該橋主橋為五孔拱橋，橋孔現狀無明顯差別，選擇第一跨進行荷載試驗。大跨度拱橋主要考慮拱頂、拱腳和1/4拱位置截面，因此選取四種荷載狀態下的組合，共八個工況，分別為：狀態一，拱頂最大正彎矩（中載、偏載）；狀態二，拱腳最大正彎矩 （中載、偏載）；狀態三，拱腳最大負彎矩 （中載、偏載）；狀態四，1/4拱最大正彎矩 （中載、偏載）。

測點布置方案：在橋面左右兩側布置九個撓度觀測點，以及主要截面位置的7片拱肋底部布置縱向應變片，如圖3所示。

3.2試驗車輛及荷載效率

根據該橋設計要求，通行荷載標準取為汽車-20級、掛車100，以及人群荷載 （3.5kN/m2），分別按控制截面彎矩最不利位置布載，確定控制截面的設計控制內力。通過建立該橋的三維有限元模型 （如圖4所示），按照最大影響線加載的方法，以及按控制截面內力等效原則進行加載，并使控制截面試驗荷載效率滿足規程要求 （如表2所示）。本橋采用2臺38t三軸重車進行等效布載 （如表1所示）。正式加載試驗之前，每臺車輛分別過磅稱重，確保滿足荷載試驗要求。

圖3　測點布置位置示意圖

表1　加載車輛技術參數列表

表2　靜載試驗荷載效率列表

圖4　東關大橋有限元模型

3.3試驗結果分析

（1）荷載試驗撓度觀測結果

圖5　典型工況下撓度測試結果與計算結果對比

撓度觀測采用高精度電子水準儀，荷載試驗結果表明：試驗橋跨測試部位的實測撓度小于計算值，其中第一跨的撓度校驗系數介于0.38～0.91之間，跨中最大實測撓度增量為0.77mm；荷載卸除后，各測試部位的實際校驗系數均小于1.0，實測相對殘余變形最大值為18.76%，滿足規程不超過20%的要求。典型工況下的撓度測試結果與計算結果對比如下圖5所示。

（2）荷載試驗應變觀測結果

荷載試驗結果表明：試驗橋跨測試部位的實測應變值都處于正常范圍，其中第一跨的應變校驗系數處于0.44～0.89之間，相對殘余應變最大值為18.75%，說明該測試截面的結構整體受力性能能滿足設計荷載的要求。典型工況下的應變測試結果與計算結果對比如下圖6所示。

圖6　典型工況下應變測試結果與計算結果對比

4　結論

雙曲拱橋是我國特有的橋梁結構形式，具有結構新穎、輕巧、省料、便于施工等特點，然而由于設計、施工缺陷以及多年服役等原因，不少現役拱橋出現了不同程度的病害。

（1）針對本文討論的工程項目，其主橋上部結構主要典型病害表現為：拱肋和腹拱的多處滲水以及拱波出現多處的縱向裂縫。滲水原因主要為拱肋與拱波交界處結合面相對較弱，出現裂縫，以及橋面的防水層受到不同程度的損壞而失效，橋面鋪裝開裂較為明顯，排水系統堵塞等。拱波縱向開裂原因主要在于拱波配筋不足，橫向聯系相對薄弱。

因此對該橋的維修加固建議可以采取相應措施，例如：先采用注膠法對裂縫進行修補，再用黏貼碳纖維布進行補強；加強其拱頂建筑與橋面之間的聯接性，提高橋面上部之間的整體性；對橋面鋪裝的裂縫進行修補，疏通排水管道，恢復全橋排水系統功能。

（2）通過荷載試驗表明該橋在整個試驗加載過程中，結構受力基本處于彈性工作狀態，受力狀況良好。通過對主要截面位置的撓度和應變測試結果表明：撓度和應變的校驗系數均小于1.0，說明該雙曲拱橋在強度和剛度上能夠滿足汽車-20級，掛車-100設計荷載通行等級要求。