陆丽实

(福建省永正工程质量检测有限公司 福建福州 350012)

0 引言

双曲拱桥是我国20世纪60～80年代广泛修建的一种桥型，它充分发挥了预制装配的优点，截面挖空率高，节省材料，可以不要拱架施工，加快施工进度但同时也存在荷载标准低、整体性与耐久性差等问题[1-3]。目前该桥型已经基本淘汰，但大量运营中的双曲拱桥存在维修、加固或者改造问题，部分桥梁还存在着安全隐患。

本文以武夷山某较罕见的墩顶桥面存在隆起的双曲拱桥为研究对象，依据现场外观调查结果，对病害成因进行分析。分析了该桥型桥梁的受力特征及薄弱节点，并进行了荷载试验及分析验证，以期为类似桥型的桥梁维养及病害预防提供一定的工程经验。

1 工程背景

该桥为3跨钢筋混凝土双曲拱桥，桥梁长107.4m，跨径组成为(25.0m+50.0m+25.0m)，桥面净宽7.0m(车行道)+2×2.0m(人行道和栏杆)。桥面铺装为C25混凝土；上部结构为钢筋混凝土双曲拱，矢跨比1/8，拱轴系数2.4，横向为6肋5波，两侧各悬半波；下部结构为重力式实体墩和U型桥台。该桥建于1977年，设计荷载等级为：汽-15，挂-80。2017年，由于周边建设需要，该桥通行了约半年的重型车辆。桥梁桥型布置如图1所示。

(a) 立面布置图

(b) 横向布置图图1 桥梁桥型布置图(单位：cm)

2 外观检测及病害成因分析

2.1 外观检测

(1)2#伸缩缝两侧存在高差约25mm，3#伸缩缝两侧存在高差约20mm，墩顶桥面板隆起，车辆行车时桥面板有振动现象。

(2)7#腹拱圈拱脚存在错位、渗水，最大错位约47mm；拱板底面存在多处断裂，且存在1处拱板碎裂、脱落，面积约1.6m2，脱落处右侧侧墙存在1条斜向断裂，延伸至桥面，最大缝宽测读值为21mm；6#腹拱圈处下游侧侧墙存在1条横向裂缝，裂缝宽度最大测读值为4mm，且侧墙与腹拱圈接触面脱裂。现场病害照片如图2所示，病害示意图如图3所示。

(a)墩顶桥面板隆起

(b)腹拱圈拱板断裂，碎裂、脱落

(c)腹拱圈拱脚错位、渗水

(d)侧墙开裂图2 现场病害照片

图3 现场病害示意图

2.2 病害成因分析

根据现场调查分析，该桥病害产生可能原因有：

(1)桥梁设计荷载等级较低，且桥梁整体性较差，在超载车辆荷载作用下,桥梁受力薄弱部位开始出现破坏。拱桥拱脚承受较大的水平推力，该桥为不等跨结构，在两跨连接处墩顶腹拱圈两侧拱脚承受不对称的水平推力荷载，导致桥梁墩顶腹拱拱脚出现错位。

(2)由于伸缩缝处防水填料破损缺失及桥面出现裂缝，导致雨水渗入拱上填料，进而导致填料下渗，由于拱上填料偏薄，加之拱上填料施工质量不均匀等因素，导致其传递及分散荷载的能力减弱，使腹拱圈直接承受车辆荷载，在重载车辆的冲击作用下，腹拱圈拱板断裂，进而形成混凝土破损脱落。由于拱板的破损脱落导致该处侧墙下部支撑脆弱，且由于腹拱圈拱脚的移位下沉，进而造成桥梁侧墙开裂。

3 静载试验

桥梁静载试验是通过测试桥梁结构在静载试验荷载作用下的内力和变形, 确定桥梁结构的实际工作状态与设计期望值是否相符,以评定桥梁的承载能力[4-5]。它是了解结构实际性能(刚度、强度等)最直接有效的办法。

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3.1 静载试验方案及实施

(1)静载工况

根据该桥的结构特征及现场情况，选取第1跨拱顶截面(1-1)、3/4跨截面(2-2)、拱脚截面(3-3)、第2跨拱脚截面(4-4)、1/4跨截面(5-5)、拱顶截面(6-6)为测试截面，拟进行的试验项目内容为测试断面在试验荷载作用下的应变及挠度，并在试验加载过程中对桥梁异常状况进行观测。静载试验测试截面如图4所示。

图4 静载试验测试截面图

(2)试验车辆

根据桥梁结构现状，本次静载试验采用汽车加载方式，在荷载效率ηq范围内对桥梁加载吨位进行计算，最后确定采用2部重车进行静载试验，现场实际所用加载车辆如表1所示。

表1 加载车辆明细表

(3)工况加载布置

各工况荷载效率具体情况如表2所示，具体工况加载车辆布置如图5所示。

(a)工况加载车辆纵向布置图

(b)工况加载车辆横向布置图图5 工况车辆加载布置图(单位：cm)

(4)应变测点布置、挠度测点布置

应变测试采用应变片，梁挠度测试采用精密水准仪测量，测点编号及布置如图6所示。

表2 各工况荷载效率

图6 应变、挠度测点布置及编号图

3.2 静载试验结果及分析

(1)模型的建立

根据结构特点，采用有限元软件midas建立桥梁结构空间有限元模型(采用主拱圈拱脚固结，两侧桥头桥面板及腹拱圈拱脚铰接，累计5387个节点、7798个单元)，计算荷载作用下测点的理论计算值。理论模型如图7所示。

图7 有限元空间模型

(2)挠度结果分析

本次试验挠度检测结果如表3所示。

表3 挠度检测结果汇总表

由表3可知：除测试截面距桥梁破坏位置较近的工况2外，其余工况荷载作用下，实测控制截面挠度校验系数满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》[6](以下简称《规程》)中规定的校验系数小于1.0的要求，相对残余变形满足《规程》中规定的相对残余变形限值要求(限值20%)。在工况2试验荷载作用下，挠度校验系数及相对残余变形均不满足《规程》中规定的限值要求。可能的原因是工况2测试截面距离破损位置较近，该处桥梁局部承载能力不满足要求，且由于拱上填料的松散缺失，导致试验荷载作用下桥梁产生非弹性变形，桥梁残余变形较大。由此可见，该桥局部刚度不满足规范要求，桥梁整体性较差。

(3)应变结果分析

本次静载试验应变检测结果如表4所示。

表4 应变检测结果汇总表

由表4可知：在试验荷载作用下，实测控制截面的应变校验系数满足《规程》中规定的校验系数小于1.0的要求；相对残余应变满足《规程》中规定的相对残余应变限值要求(限值20%)。由此可见，在试验荷载作用下，桥梁主拱圈强度满足规范要求。

4 动载试验

本次动载试验主要包括桥梁自振特性试验和无障碍行车试验。

4.1 桥梁自振特性试验

将加速度传感器测点布置在桥面上以观测桥梁竖向振动基频及振型，现场测点布置如图8所示。将实测的加速度信号经过实验模态分析可得，该桥上部结构实测竖向一阶自振频率为5.27Hz，大于理论计算值3.80Hz，且实测振型与理论计算振型基本一致，但小于2014年实测竖向一阶自振频率5.87Hz，表明桥梁刚度有所降低。桥梁实测振型如图9所示。

图8 桥梁自振特性试验加速度传感器布置图

图9 桥梁自振特性试验实测振型图

4.2 无障碍行车试验

通过无障碍行车试验测试不同车速下车辆对桥梁的冲击系数。采用电阻应变片量测振动应变从而计算桥梁冲击系数。测点布置在第1跨拱顶(1-1)截面、第1跨3/4跨(2-2)截面、第2跨1/4跨(5-5)截面、第2跨拱顶(6-6)截面，各截面布置1个动应变测点。各截面动应变测点布置如图10所示，部分实测动应变时程曲线如图11所示，无障碍行车试验结果如表5所示。

图10 动应变测点布置图

图11 现场实测动应变时程曲线图

表5 无障碍行车试验检测结果汇总表

由表5可知，在无障碍行车试验下，车辆对桥梁测试截面的实测冲击系数最大值为μ=0.41，大于规范(JTG D60-2015)[7]规定的设计计算取值μ=0.28。其可能的原因是桥面局部存在高差导致桥面平整度差，行车时车辆振动对桥梁形成冲击。冲击系数过大将导致车辆行驶时对桥梁产生较大的冲击，产生较大的瞬时荷载效应，对桥梁的受力产生不利影响。

5 结论

本文针对某墩顶桥面存在隆起的双曲拱桥，依据现场外观调查结果，分析了病害成因，并对桥梁进行荷载试验。通过现场实测结果及分析，得出以下结论：

(1)对于不等跨的双曲拱桥，其连接处承受不对称的水平荷载，在受力上较为薄弱，运营中容易出现受力破坏，在设计中建议做成重力式，在养护及巡查中应重点关注。

(2)双曲拱桥横向联系及整体性较差，特别是拱上构造，在荷载作用下容易出现荷载分布不均，局部受力过大，易造成桥梁局部损坏。

(3)桥面局部高差较大、桥面不平整，容易造成车辆对桥梁产生较大的冲击，使桥梁承受较大的瞬时冲击荷载，在养护及巡查中应引起重视。

(4)双曲拱桥设计荷载等级较低，承载能力较差，在运营中应预防及限制超载车辆的通行。

上述研究结果，以期为类似桥型的桥梁运营养护及病害预防提供一定的工程经验。