某懸臂梁橋加固效果探析

陳亮豐

(福建省永正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司 福建福州 350012)

0 引言

懸臂梁橋，又稱伸臂梁橋，是將簡(jiǎn)支梁向一端或兩端懸伸出短臂的橋梁。這種橋式有單懸臂梁橋和雙懸臂梁橋。懸臂梁橋往往在短臂上擱置簡(jiǎn)支的掛梁，相互銜接構(gòu)成多跨懸臂梁。由于減小跨中正彎矩，可節(jié)省材料，增大跨徑，故懸臂梁橋?yàn)槲覈?guó)20世紀(jì)60年代～90年代期間，為解決橋梁跨度不足而使用的一種結(jié)構(gòu)。

近年來，隨著交通量的劇增以及車輛荷載的增加，橋梁材質(zhì)狀況的退化，大部分懸臂梁橋出現(xiàn)了嚴(yán)重病害。目前針對(duì)懸臂梁橋加固方法及效果的研究較少[1-2]，本文以南平市某加固懸臂梁橋?yàn)檠芯勘尘埃Y(jié)合加固前后橋梁靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)[3]，對(duì)橋加固效果進(jìn)行評(píng)估，以期為類似工程提供借鑒。

1 概述

1.1 工程概況

南平市某懸臂梁橋始建于1953年間，1956年建成通車。該橋?yàn)?0跨鋼筋混凝土簡(jiǎn)支伸臂梁橋，橋長(zhǎng)289.2 m，跨徑組合為12.6 m+8× 33.0 m+12.6 m，橋面凈寬為9.0 m，結(jié)構(gòu)形式為每組在兩墩上簡(jiǎn)支，由簡(jiǎn)支端向墩外伸臂9.5 m，與相鄰一組的伸臂梁間再掛上一孔14.0 m的吊梁。橋面鋪裝采用水泥混凝土；上部為型斷面的梁板結(jié)構(gòu)；下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺(tái)。原設(shè)計(jì)荷載為汽-13級(jí)，拖(履)-60級(jí)，人群荷載3.5 kN/m2。橋梁橋型布置圖如圖1所示。

1.2 主要病害與加固措施

2008年，該橋經(jīng)外觀檢測(cè)被評(píng)定為三類橋梁，荷載試驗(yàn)表明，該橋能夠滿足原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的通行能力。2012年，該橋經(jīng)外觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)主要病害有：①橋面鋪裝存在多處破損碎裂；②掛孔段及懸臂梁跨中區(qū)域主梁梁底存在較多橫向超限[4]裂縫，部分裂縫延伸至腹板并向上延伸，且縫寬超限；③支座負(fù)彎矩附近梁體頂板橫向裂縫較多，大部分裂縫從翼緣板邊緣貫穿整個(gè)頂板；④牛腿處存在剪切破壞。經(jīng)外觀檢測(cè)結(jié)果，該橋被評(píng)定為D級(jí)(不合格級(jí))。

其后該橋進(jìn)行了維修加固，主要方法為：①破除舊有橋面鋪裝更換10cmC40鋼筋混凝土鋪裝，鋪裝層內(nèi)布置高強(qiáng)鋼筋網(wǎng)；②掛孔段及懸臂梁跨中區(qū)域主梁采用碳纖維布包裹；③腹板超限裂縫采用壓力灌漿封閉并黏貼碳纖維布；④在牛腿開裂處粘貼斜向鋼板加固。對(duì)加固后的橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，并對(duì)比加固前后橋梁荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證其加固效果。

(a)立面布置圖

(b)橫向布置圖

2 橋梁荷載試驗(yàn)方案

2.1 橋梁受力特點(diǎn)

懸臂梁橋兼有簡(jiǎn)支梁橋和連續(xù)梁橋的特點(diǎn)，橋梁跨中受正彎矩作用，支點(diǎn)受負(fù)彎矩作用。懸臂梁橋掛梁端部一般設(shè)有接縫，車輛經(jīng)過時(shí)對(duì)橋梁的沖擊比一般橋梁大；牛腿受較大剪力作用，為其受力薄弱點(diǎn)。

2.2 靜載試驗(yàn)方案

(1)有限元模型的建立

應(yīng)用MIDAS/Civil有限元軟件建立橋梁的空間有限元計(jì)算模型，該模型包含220個(gè)梁?jiǎn)卧捎眠B續(xù)梁模擬，掛孔段梁端釋放梁端約束，有限元模型如圖2所示。

圖2 橋梁MIDAS有限元模型

(2)靜載工況及內(nèi)容

從上文受力特點(diǎn)分析中可知，懸臂梁橋既受正彎矩作用，也受負(fù)彎矩作用。因此，本次試驗(yàn)采用最不利受力方式進(jìn)行布載，測(cè)試斷面如圖3所示，擬進(jìn)行的試驗(yàn)工況及內(nèi)容如表1所示。

(3)試驗(yàn)荷載

以原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)(汽-13級(jí)，拖(履)-60級(jí)，人群荷載3.5 kN/m2)為試驗(yàn)荷載，進(jìn)行等效加載。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，本次靜載試驗(yàn)采用汽車加載方式，在荷載效率η范圍內(nèi)對(duì)橋梁加載重量進(jìn)行計(jì)算，最后確定采用2部約30 t重兩軸載重汽車進(jìn)行加載，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際所用加載車輛如表1所示。

表1 各工況試驗(yàn)內(nèi)容及荷載效率

(4)各工況加載效率

依據(jù)設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在最不利荷載組合下產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，并通過布置荷載工況，使現(xiàn)場(chǎng)加載產(chǎn)生的內(nèi)力與設(shè)計(jì)荷載產(chǎn)生的理論內(nèi)力的比值符合橋梁試驗(yàn)規(guī)范的要求。本次靜載試驗(yàn)荷載效率為0.96～1.03，靜載試驗(yàn)荷載效率滿足規(guī)范[5]要求，具體加載效率如表1所示。

(5)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置、撓度測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)變測(cè)試截面如圖3所示，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。梁撓度測(cè)點(diǎn)編號(hào)及布置如圖5所示。

圖3 測(cè)試斷面示意圖(單位：cm)

(a)撓度測(cè)點(diǎn)布置截面

(b)撓度測(cè)點(diǎn)橫向布置圖5 撓度測(cè)點(diǎn)布置及編號(hào)(單位:cm)

2.3 動(dòng)載試驗(yàn)方案

(1)橋梁自振特性試驗(yàn)

橋梁的自振頻率的大小與橋梁剛度正相關(guān)，通過測(cè)試橋梁加固前后自振頻率的變化能體現(xiàn)橋梁剛度的變化。在橋面一側(cè)行車道邊緣放置加速度傳感器，測(cè)點(diǎn)布置在橋面上，通過對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行分析，測(cè)試橋梁的自振頻率及振型。

(2)無障礙行車試驗(yàn)

通過加固前后橋梁無障礙試驗(yàn)，得出車輛對(duì)橋梁沖擊系數(shù)的改變，通過橋面加速度的改變，反映加固前后橋梁行車舒適性的變化。

3 靜動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 撓度結(jié)果分析

本次試驗(yàn)撓度檢測(cè)結(jié)果如表2所示，表中撓度以向下為正值，向上為負(fù)值。

表2 各工況撓度檢測(cè)結(jié)果匯總表

由表3可知：在各工況荷載作用下，實(shí)測(cè)控制截面的撓度值均小于理論值，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.49～0.89之間，滿足規(guī)程[3]中規(guī)定的不大于1.00的限值要求。相對(duì)殘余變形在0～14.67%之間，滿足規(guī)程[3]中規(guī)定的相對(duì)殘余變形限值要求(限值20%)。由此可見，在試驗(yàn)荷載作用下，所檢橋跨試驗(yàn)控制截面的剛度滿足規(guī)范要求。加固前后橋梁靜載試驗(yàn)撓度校驗(yàn)系數(shù)對(duì)比表明，加固后撓度校驗(yàn)系數(shù)較加固前明顯減小，由此可見該橋加固后橋梁剛度有所提升。橋梁剛度的提升主要來源于橋面鋪裝的更換，說明采用更換此類橋面鋪裝能有效提高橋梁整體剛度。

3.2 應(yīng)變結(jié)果分析

本次靜載試驗(yàn)應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果如表3所示，表中應(yīng)變以受壓為負(fù)值，受拉為正值。

表3 各工況應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果匯總表

由表3可知：在各工況荷載作用下，實(shí)測(cè)控制截面的混凝土應(yīng)變值均小于理論值，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.50～0.92之間，滿足規(guī)程[3]中規(guī)定的校驗(yàn)系數(shù)小于1.0的要求。相對(duì)殘余應(yīng)變?cè)?.04%～13.33%之間，滿足規(guī)程[3]中規(guī)定的相對(duì)殘余應(yīng)變限值要求(限值20%)。由此可見，在試驗(yàn)荷載作用下，所檢橋跨試驗(yàn)控制截面的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。加固前后橋梁靜載試驗(yàn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)對(duì)比表明，加固后橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)較加固前有所減小，由此可見該橋加固后強(qiáng)度有所提升。橋梁強(qiáng)度的提升主要來源于梁體裂縫的修補(bǔ)以及碳纖維布包裹，說明此類裂縫修復(fù)方式能提高橋梁整體強(qiáng)度。

3.3 橋梁自振特性測(cè)試結(jié)果整理

將實(shí)測(cè)的加速度信號(hào)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析可得， 實(shí)測(cè)橋梁的豎向一階自振頻率為3.13 Hz，大于有限元分析得到的豎向一階自振頻率(2.53 Hz)，且大于加固前橋梁自振頻率(2.93 Hz)，表明加固后橋梁的剛度有所提升。橋梁實(shí)測(cè)振型與計(jì)算振型如圖6所示。

(a)加固前實(shí)測(cè)振型圖(2.93 Hz)

3.4 無障礙行車試驗(yàn)結(jié)果整理

將橋梁應(yīng)變及加速度時(shí)程曲線進(jìn)行時(shí)域分析后，得出不同車速下對(duì)橋梁的沖擊系數(shù)及橋面加速度列于表4～表5。

表4 實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)

表5 橋面實(shí)測(cè)加速度

由表4及表5可知，在無障礙行車情況下，車輛對(duì)橋梁主橋的沖擊系數(shù)最大值為μ=0.18，小于規(guī)范[6]規(guī)定的設(shè)計(jì)計(jì)算取值μ=0.19(橋梁豎向基頻實(shí)測(cè)值為3.13 Hz)。測(cè)試截面最大加速度響應(yīng)為0.057 g，小于人體不適的限值0.065 g。加固前后橋梁無障礙行車沖擊系數(shù)及加速度測(cè)量結(jié)果對(duì)比表明，橋梁加固后，車輛對(duì)橋梁的沖擊及橋面振動(dòng)較加固前均有所增大，表明此類加固方法不能改善車輛對(duì)橋梁的沖擊，減輕橋梁的振動(dòng)，因?yàn)闃蛄簞偠仍黾釉斐蓸蛄侯l率的增大，造成車輛對(duì)橋梁的沖擊及橋梁振動(dòng)的增大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過該懸臂梁橋的靜動(dòng)載試驗(yàn)可得出以下結(jié)論：①在試驗(yàn)荷載作用下，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變及撓度校驗(yàn)系數(shù)、相對(duì)殘余均符合規(guī)范要求，橋梁處于彈性工作狀態(tài)；②橋梁實(shí)測(cè)一階頻率大于有限元計(jì)算頻率，橋梁實(shí)際剛度較大；③在無障礙行車試驗(yàn)荷載作用下，橋梁實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)符合規(guī)范要求，橋梁工作狀態(tài)良好；④綜合以上，該橋梁經(jīng)加固后可滿足汽-13、拖-60荷載等級(jí)的通行要求；⑤加固后橋梁靜載試驗(yàn)撓度校驗(yàn)系數(shù)較加固前明顯減小，加固后橋梁實(shí)測(cè)豎向一階自振頻率大于加固前實(shí)測(cè)豎向一階自振頻率，可見該加固方法可以提升橋梁剛度，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)較加固前也有所減小，可見該加固方法對(duì)橋梁強(qiáng)度也有所提升；⑥橋梁加固后，車輛對(duì)橋梁的沖擊及橋面加速度幅值較加固前有所增大，表明采用該方法加固此類懸臂梁橋，會(huì)增大車輛對(duì)橋梁的沖擊，降低行車舒適性。