大跨徑混凝土石拱橋加固檢測與評估

簡華偉 劉美玉 劉英偉

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024）

0 引言

橋梁跨徑布置為2×72m的石拱橋，全長165.83m，橋面布置為1.75m(人行道及欄桿)+7.0m（行車道）+1.75m(人行道及欄桿)，橋梁總寬 10.5m，該橋上部結構為石砌等截面上承式板拱橋，矢跨比1/7，主拱圈高1.4m，寬 7.5m，拱上結構為拱式拱上建筑。下部結構為重力式墩臺，均為擴大基礎，重力式橋墩。橋面鋪裝層為混凝土。

由于本橋設計年代久遠，目前橋梁存在不同程度的病害，加之橋梁位于城區，兩岸車輛較多，為了滿足現有運行量的要求，對本橋進行加固改造設計，以達到美觀實用、緩解交通壓力的目的。改造后的結構主體滿足公路-Ⅱ級荷載等級的要求。

為了確保加固過程中主體結構始終處于安全的受力狀態，就需要進行監控。同時，為了使得加固效果更為合理，首先需要擬定合理的加固順序。施工監控工作是在給定的施工路徑下進行的所有監測和控制工作的總和，監控的主要目的是確保施工按照預定的路徑實施，最終達到預定的受力狀態。

圖1 加固前橋梁立面圖

1 監控的理論、方法及設備

1.1 監控理論

本橋梁的監測主要采用自適應控制法，該方法適應現代橋梁結構高次超靜定、施工工序多和影響因素復雜的特點。通過反饋控制，橋梁施工過程中的各種設計參數誤差和環境因素干擾等得到及時辨識修正，并實時指導后續的施工作業，從而確保施工控制目標的實現。

1.2 誤差分析與預測方法

由于測量數據不管是應力還是撓度數據，都是包括結構真實響應、環境誤差影響后的表觀值，數據成分中僅有結構真實響應是對監控有意義的。由于拱橋結構受溫度等因素影響較大，監控測試工作首先應該選擇在外部影響因素較小的情況下進行，盡量避免系統誤差。同時，根據對敏感參數的敏感性分析，可以對實測數據進行參數識別，本項目采用最小二乘法對溫度等參數進行了識別，進而剔除了溫度對測試結果的影響。

1.3 監控的主要儀器

應力測試選用鋼弦式應力傳感器若干和鋼弦式應力傳感器讀數儀 1臺；標高位移測量選用精密水準儀和全站儀拓普康。

2 監測方案

2.1 應力監測方案

護國大橋應力測點布置在各跨拱腳、1/4截面、拱頂和3/4截面。拱圈截面應力測點（包括新增混凝土截面）如下：

圖2 主拱截面拱頂控制界面應變測點布置及大樣圖

圖3 主拱截面拱腳段控制界面應變測點布置及大樣圖

2.2 撓度監測方案

護國大橋撓度測點布置在各跨1/4點位置。

2.3 監控預警機制

監控預警以主要承載結構——主拱的控制截面應力作為指標。以“主拱控制截面應力是否超過某一限值為依據，超限則發出預警”，并進行施工工序調整以防止結構朝受力不利方向繼續發展。

3 監測結果及分析

按照加固施工順序，重點測試了各個工況下控制截面的應力和撓度。具體的施工順序如下表1所示。

表1 混凝土大橋加固維修施工順序

3.1 有限元模型

除了實測截面應力和撓度之外，還采用有限元軟件Midas/Civil 2015版建立有限元模型，對石拱橋施工階段受力進行分析。其中橋面鋪裝考慮為荷載作用，而不參與結構受力；對主拱圈和腹拱圈采用外包混凝土進行加固過程采用“施工階段聯合截面”功能進行實現；模型中的相關參數均按維修加固設計文件、檢測結果及提供模型中的相關參數進行取值；邊界條件按橋梁實際情況進行模擬。

結構共離散為381個節點，350個單元，模型如圖4所示。

圖4 混凝土拱橋有限元模型

3.2 實測結果與計算結果的對比分析

主要對實測和ansys軟件計算下，主拱圈監控控制截面在各個施工階段下的撓度和應力進行分析。圖4中第一跨和第二跨的左拱腳、1/4截面、拱頂、3/4截面和右拱腳對應的截面分別為A1、A2、A3、A4、A5和B1、B2、B3、B4和B5。監測和計算都給出了每個截面在每種工況下的應力和撓度的實測值和理論值，觀察數據可以發現，實測值和理論值相差不大。

這里，選部分截面為例來說明，列出A1、A3、A4和B1截面對應的應力實測值和理論值的對比圖，以及A3截面對應的撓度的實測值和理論值的對比圖，如下所示。

圖5 A1截面上緣在各工況下的應力計算值與實測值對比（MPa）

圖6 A3截面上緣在各工況下的應力計算值與實測值對比（MPa）

圖7 A4截面上緣在各工況下的應力計算值與實測值對比（MPa）

圖8 B1截面上緣在各工況下的應力計算值與實測值對比（MPa）

圖9 A3截面在各工況下的撓度計算值與實測值對比（mm）

圖10 B3截面在各工況下的撓度計算值與實測值對比（mm）

注：以上對比圖的實測源數據，是在原始數據基礎之上經誤差分析后得到的。誤差主要來源包括，溫度對結構的影響，這部分計算值未考慮，在進行對比的時候對實測數據進行了溫度敏感性分析。

從以上對比分析圖，可看出理論計算同實測結果吻合情況較好，且實測控制截面應力始終未超過材料容許強度，說明結構始終處于安全狀態。

3.3 加固完成后橋面線形

采用精密水準儀對成橋后橋面線形進行了測量，監測控制網采用二等水準路線閉合控制精度。

成橋后橋面共設置63個線形觀測點，上、中、下游各布設一條測線，每條測線共21個測點，觀測點順橋向均位于各跨拱腳、1/8截面、跨中位置、橋墩順橋向中心及橋臺距橋臺端拱腳5m位置。大橋左、中、右線截面控制點實測標高趨勢線見示意圖11。

圖11 橋面控制點實測標高趨勢線示意圖

由圖11可以看出：橋面線形平順，左線、中線和右線橋面線形吻合較好。

4 結論

通過全程監控加固過程，實測各控制截面應力及撓度，并經大量分析，得到以下結論：

1、對比理論與實測數據（剔除誤差得到有效數據），理論與實測數據較為吻合，表明加固依循預定路徑得到了較好的實施。

2、加固全過程，主拱結構始終處于彈性范圍，安全得到保障。