王天晴 陈映棠 董立恒 王璀瑾
(1.山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001； 2.大连理工大学，辽宁 大连 116024)
·桥梁·隧道·
多跨双曲拱桥的加固和载荷试验
王天晴1陈映棠1董立恒2王璀瑾2
(1.山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001； 2.大连理工大学，辽宁 大连 116024)
结合某多跨双曲拱桥的工程概况，从拱轴曲线方程、荷载计算、拱圈内力等方面，分析了该桥的结构性能，提出了拱桥加固的设计和施工方案，并通过载荷试验，验证了加固方案的有效性。
双曲拱桥，载荷试验，加固设计，拱圈
0 引言
基于合理拱轴概念所设计的双曲拱桥在二十世纪七八十年代得到了非常广泛的应用。在当时经济发展相对落后、运输车辆荷载(集中荷载为主)相对较小、桥梁自重(均布荷载为主)所占比例较大的情况下，由于这种拱桥的拱轴线与均布荷载产生的轴向力较大、弯矩较小的内力图吻合较好，可以选择较小的拱桥截面，且造价较低，因而得到了许多桥梁设计者的青睐。由于当时缺乏建筑用钢，这种拱轴可以充分发挥建造材料拉压强度较高而抗拉强度较低的特性，能够节省大量的钢材，所以具有鲜明的时代特点，甚至同期还建造了大量的砖石双曲拱桥。
随着经济的发展，现在的桥梁使用荷载发生了根本性的变化。尤其是运输车辆荷载提高幅度很大，甚至由原来的数吨增加到现在的一两百吨，所以这种拱桥的坍塌事故频繁发生。分析原因可以归结为：1)荷载幅度的大幅度提高；2)动载频度的增加使疲劳破坏风险加大；3)拱桥内力性质的变化(由受压为主变为受弯为主)；4)原桥梁设计构件截面偏小，材料强度偏低，构造不合理；5)桥梁已达或超过设计使用年限，年久失修。
这种拱桥的拆除重建固然可行，但出于经济方面的考虑和使用及建造工期的要求，大部分桥梁若能进行必要的改造加固处理也能满足现在的要求，而且成本较低。通过对某多跨双曲拱桥的分析、计算，出具了加固设计方案，并进行了加固施工。为检测加固效果，又进行了原位加载试验。该桥再次投入使用数年表明，加固设计和施工是非常成功的。总结和研究该桥的加固经验有一定的现实意义。
1 工程简介
某大桥为多跨双曲拱桥，分为10跨，每跨轴线距离为17.30 m，桥梁总长度约为180 m，桥梁总宽度(含人行道)共约9.80 m，设双向来往车道，车道宽度约为7.50 m。在桥宽方向共设5条T型截面拱肋，肋距1 930 mm，拱肋之间由预制弧形板进行连接。在拱肋之上设小立柱支承桥面梁，上铺预制桥面板后再设整浇层。
桥拱支承于横向桥墩大梁之上，下部每处支点由3根圆形立柱(桩)支承。该桥加固前后的外观如图1和图2所示。
该桥始建于20世纪80年代，当时设计荷载为汽—20、挂—100。建成使用将近三十年后，通过检测鉴定发现大桥出现多种安全隐患，主要表现为：1)主拱肋混凝土保护层不同程度的剥落；开裂严重，有随时坍塌危险；2)主拱肋主筋严重锈蚀，截面损失率高达35.4%以上；3)弧形拱波板和小立柱存在混凝土开裂，保护层剥落，钢筋锈蚀缺陷；4)直接承受汽车荷载的桥面梁板破损严重，裂缝贯通，挠度超过限值；5)栏杆及其他附属构件破坏严重，甚至缺失。
基于不能中断运输使用的考虑，经过研究论证，认为该桥具备加固后再投入使用的条件，于是针对上述5种隐患进行了加固计算和方案设计，并进行了加固施工。施工完成之后又慎重地进行了车辆载荷试验。目前，该桥经过加固已使用5年，未再发现异常现象。
2 桥梁分析
2.1 拱轴曲线方程
根据原有资料得到主拱圈的主要几何参数：拱轴系数m=1.347；拱轴计算跨度L=16.473 m；拱轴计算矢高f=2.783 m。
拱轴按悬链线曲线方程为：
y=f(chka-1)/(m-1)。
其中，a=x/(L/2)=0.121x;k=ln[m+(m2-1)1/2]=0.811。
故拱轴曲线方程整理后为y=8.02[ch0.098x-1]。
亦即y=8.02[(e0.098x+e-0.098x)/2-1]。
通过实测数据对比，上述拱轴曲线方程与实际较为吻合。若取拱轴系数为1，则可用二次抛物线作为拱轴曲线方程，本例中若采用二次曲线作为拱轴方程也与实测基本吻合，计算也较为简单。
2.2 荷载计算及拱圈内力分析
主拱圈的加固是本次桥梁加固的关键所在，在内力分析之前，需首先确定拱轴所承受的荷载，该荷载分为永久荷载和可变荷载两种。在计入荷载分项系数和影响线得到了主拱圈的控制截面内力。
1)永久荷载。永久荷载包括桥面结构的面层、桥面板、盖梁、拱波板、填充层、小立柱、主拱圈自重等。为使桥梁满足加固后的承载要求，上述所有构件均应按加固后的预选截面计算，其中，桥面自重标准值约为30.3 kN/m2,主拱圈自重荷载约为10 kN/m,考虑相邻拱肋中心距为1.93 m，故折算到单个拱圈上的水平线载标准值约为：
q恒=30.3 kN/m2×1.93 m+10 kN/m=68.5 kN/m。
2)可变荷载。本次加固的桥梁可变荷载分为汽车荷载和人群荷载，其中汽车荷载分布于车道范围，人群荷载分布于人行道之间。考虑人群荷载远小于车道荷载，选取一个主拱圈计算时，仅计算车道荷载的主拱圈，所有主拱圈均按相同截面和配筋设计。
本次汽车荷载按公路—Ⅰ级考虑，车道荷载的均布荷载为qk=10.5 kN/m,集中荷载按内插计算得到pk=185.9 kN。本次为双向行驶两车道，横向分布折减系数为1，折算到单个拱圈上的车道均布荷载标准值和集中荷载标准值分别为：
qk1=1.93×10.5=20.3 kN/m。
pk1=185.9×1.93/(2.5+0.6)=115.8 kN。
3)主拱圈控制截面内力。因主拱圈与支座的关系从现场实际来看难以准确地归为铰支或固接，为保证加固后的安全，按支座铰支和固接两种情况均能满足的要求进行内力分析和加固改造设计。
拱圈的控制截面按支座、跨中和1/4跨处考虑，以减少计算工作量。主拱圈的内力如表1和表2所示，其中的设计值计入了内力分项系数，剪力设计值计入了车道集中荷载的1.2放大系数。集中荷载计入的是按影响线产生的最大内力。表中弯矩、轴力、剪力单位分别为kN·m，kN，kN。弯矩以拱下受拉为正，轴力以受压为正。
表1 两端铰支时主拱圈内力表
表2 两端固接时主拱圈内力表
3 加固设计和施工
3.1 加固设计
在取得主拱圈上述各控制截面处的组合内力之后，进行了截面强度验算，绘制主拱圈扩大截面加固图如图3～图5所示。小立柱采用了四周扩大断面的加固方法。盖梁和原桥面板在加大(加厚)原有截面后，形成了新的盖梁和桥面板。为使原主要由预制构件做成的桥梁整体性更好，新做了150厚桥面整浇层，内配双向双层钢筋网片。此外，新做了桥梁栏杆。为使主拱圈达到两端固接效果，在其与桥台连接部位1 500～2 700范围采用逐步加大截面的方法，形成了事实上的加腋不等截面拱桥。
3.2 加固施工
为保证施工工期和浇筑质量，所有的扩大截面采用了高强无收缩灌浆材料。扩大截面的钢筋采用了结构胶植入的方法。主拱圈加固前、加固中和加固后的示意图如图6～图8所示。
4 载荷试验
为了验证加固施工的效果，进行了桥梁加载试验。加载车辆采用了总重38 t的三轴车辆。为使加载量不低于公路—Ⅰ级的荷载标准，采用同时布置四车且采用车尾对车尾的布载方式，如图9所示。
加载过程中主要进行了主拱肋的应力、应变测试、挠度变形测量。并对加固前后的桥拱自振频率进行了实测。载荷试验表明，主拱竖向位移较小，与理论计算较为吻合；主拱肋压应力远低于所采用的灌浆料的抗压强度；加固前后对比，桥拱自振频率由原来的6.015 Hz变为9.668 Hz。这些说明桥梁刚度及整体性有较大提高，承载力显著增强。
5 结语
1)建于二十世纪七八十年代的双曲拱桥绝大多数已不能满足现在的使用条件，存在较大的安全隐患，必须引起人们的重视，应进行必要的检测、鉴定和维护维修。
2)经过仔细的分析计算和加固处理，既有的双曲拱桥可以达到现有国家标准的要求，并继续发挥作用，与拆除新建相比采用加固处理更能获得良好的社会和经济效益。
[1] JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].
The strengthening and load test of multispan two-way curved arch bridge
Wang Tianqing1Chen Yingtang1Dong Liheng2Wang Cuijin2
(1.ShanxiAcademyofBuildingResearch,Taiyuan030001,China; 2.DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)
Combining with the multi-span two-way curved arch bridge engineering conditions, starting from aspects of arch axis curve equation, load calculation and internal arch ring force, the paper analyzes the bridge structure performance, puts forward the arch bridge reinforcement design and construction scheme, and finally testifies the reinforcement scheme effectiveness through load test.
two-way curved arch bridge, load test, reinforcement design, arch ring
1009-6825(2016)10-0145-03
2016-01-24
王天晴(1960- )，男，硕士，高级工程师，一级注册结构工程师； 陈映棠(1981- )，男，硕士，工程师；
U445
A
董立恒(1992- )，男，在读硕士； 王璀瑾(1990- )，女，在读硕士
