刚架拱桥加固前后桥梁荷载试验对比
2015-07-06
“超载现象”一直是我过拱桥建筑普遍存在的问题,这带来的直接影响是导致裂缝出现,如果拱桥斜腿与桥面相交处出现裂缝,其后果更加严重。为了准确地判定拱桥的静载荷能力,笔者通过实验后进行了详细地分析。
一、维修加固方法
在对刚架拱桥病害进行处治之前，首先要进行桥梁检查，必要时要进行桥梁荷载试验，以掌握结构的技术状况和安全状态，分析病害的原因及严重程度，以便从安全、经济、适用等方面综合考虑是否进行维修加固。采取相应的处治措施，以确保处治得当，施工安全。 刚架拱桥的维修加固主要从基础、斜杆拱脚处、弦杆、横向联系、桥面系等方面进行。
1.桥梁基础的维修加固
对于基底局部冲空的重力式扩大基础，应采取围堰施工，对冲空部分进行混凝土填塞，并增大基础的平面尺寸，提高基础的承载能力。在新填混凝土与原基础间预留压浆管道，压注水泥浆使其密实。如果基础出现裂缝，则应采用环氧树脂砂浆予以封堵。
2.斜杆拱脚处横向裂缝的维修加固方法
因桥台、墩基础出现不均匀沉降，使拱脚处出现的裂缝已基本稳定，不再发展。可采用环氧树脂灰在其两面或三面粘贴钢板的方法进行维修加固，加固时首先将构件混凝土凿毛。
3.弦杆的维修加固
对于弦杆强度不足及开裂的情况，应对弦杆进行整体加强，弦杆的加固通常可采用黏结钢板法、粘贴碳纤维布法、混凝土扩大截面法并适当增加配筋数量。当弦杆损坏严重时，可在原弦杆下增设新的弦杆进行加固，该加固法可保证新设弦杆与原弦杆共同受力，从而提高桥的承载能力。
4.横向联系的维修加固
因刚架拱桥设计标准低，横向联系薄弱而不能适应交通量或重载交通时，应考虑对全桥的横向联系系统进行整体加固。一方面可采取加大截面法加固横拉杆和横系梁，同时还应适当增加全桥的联系杆件，如横系梁。
（1）加大截面法。加大横系梁、横拉杆截面，先要进行加筋的焊接处理，要凿开节点处的钢筋保护层将需要增加的钢筋按设计焊接到接点处。采用吊模法浇注砼上，混凝土中应适当掺加膨胀剂。
（2）横系梁的施工应采用预制安装即挂篮施工，流水作业的方法，其重点是湿接头的施工。湿接头施工包括接头钢筋的焊接和混凝土的浇注两个方面。接头钢筋焊接主要是刚架拱节点处钢筋保护层的凿除要慎重，既要露出钢筋便于焊接，更要注重不要凿的太深、太长，防止损伤杆件。拆模时要对湿接头砼土及时进行维修和养生，确保接头砼强度达到设计标准。
桥面微弯及铺装层裂缝破碎的维修加固因微弯板混凝土强度不足而产生的桥面铺装层裂缝、破碎，应撤换微弯板和铺装层；因桥面铺装层、砼强度低而微弯板尚未换坏产生的桥面裂缝可撤换铺装层，为适应现今大交通量和重载交通要求，采用钢纤维钢筋砼或者聚丙烯纤维刚架混凝土加固桥面系的方法，简易可靠，可大幅增强桥面系的整体抗载抗裂能力，效果显著。设计时桥面铺装层的布筋也要适当增加。
伸缩缝损坏的维修方法设置简易伸缩缝装置及不设伸缩缝装置的刚架拱桥已不能适应现在交通安全的需要，因此采用型钢伸缩缝装置或钢板伸缩缝装置改造刚架拱桥伸缩缝简便可靠。特别是与桥面铺装同时改造效果更加明显，即采用伸缩缝混凝土与铺装层砼统一浇注的方法一次成型，不存在断缝（施工缝），整体性强，严整度好，行车舒适。（1）采用型钢或钢板伸缩缝装置改造刚架拱桥伸缩缝时要注意两点：一是锚固钢筋的埋置要牢固，不能松动。二是混凝土强度设计要适当提高并确保现浇砼的质量达到设计标准。（2）如与桥面铺装层同时改造时，伸缩缝砼的浇筑应与桥面铺装层同时进行，即采用整体浇筑，一次成型工艺施工，先将型钢或钢板装置按设计标准安装就位，然后与桥面铺装层同时立模，浇筑纤维砼。
二、各类建模与实验的比较
本次计算研究笔者采用的是ANSYS有限元软件三种建模方式,先将相关建模方式所处详细地阐述和比较。
1、荷载建模
模型一,只考虑由拱腿,不考虑桥面板和桥面铺装。计算过程中整个拱桥都运用BEAM4单元来模拟,包括了拱桥的刚度和结构都考虑在内。其步骤是,先将作用在桥面上的汽车荷载换算成等效的荷载施加到拱肋上,然后建立图平面杆系模型,计算出相应的单位力作用。
模型二,由拱腿组成的空间杆系模型。同样使用BEAM4单元进行模拟,此类模拟的重点对象是横桥向的刚度,拱桥的桥面板是沿桥面横向传递力的一种拱桥面板和单向板的车辆荷载在桥面上的位置则要根据其际作用的大小而定,这样和理的安排才会起到作用。
模型三,用BEAM4单元模拟拱腿组成的空间杆系模型。这种模拟方法的对象是拱桥的桥面板,借助于壳单元SHELL63进行仿真模拟。这一过程不需要顾及到桥面铺装,这事因为它对荷载横向分布不会造成影响。
通过以上三种模型进行计算后发现,三种模型的实验计算结果相差不大,都能比较准确地计算出刚架拱桥的影响线系数,将拱桥的荷栽横向分布系数误差控制到很小
2、荷载试验
(1)试验内容。依照建筑行业的相关规定以及我国交通部门的试行规定,加上拱桥的自身特点进行科学的荷载实验。本次试验笔者的主要对象是静载荷试验,测试的主要对象包括:跨中截面,即斜腿与跨中之间中点的截面;脚截面,即斜腿支座附近截面等位置的应变值。
(2)试验结果。根据被测试的车最终测出的应变值情况可以得到正应变,接着按照应变积计算出该截面的弯矩,再根据弯矩计算出线系数,最终得到的拱桥荷载的横向分布系数。各种方法算出的在跨中截面位置的荷载横向分布系数与试验测试结果。
3、试验建议
工程技术人员和检测人员在进行刚架拱桥荷载横向分布的相关计算时,一般情况都将出现塑性铰这一现象排除在外,这主要是因为在使用弹性支承连续梁进行计算时都会过高地估计了桥面板的连续性,排除出现塑性铰就是为了弥补这一不足。另外,在实际的试验计算中要想做到偏心压力法事十分困难的,这事因为需要假定横隔梁无限刚性,这个是无法实现的。笔者建议在计算过程中采取推力体系比拟板法,因为这种方法中限元模型把整体作用考虑在内,因而最终的计算数据结果与实际情况比较相似。
三、大跨度空间结构相关技术
目前在大跨度空间结构中,常用的计算机高架拱桥施工技术有GPS定位技术、结构仿真技术、虚拟现实技术。
1、整体提升法。将网架或桁架在地面拼装好后利用整体提升法将起重设备在网架活桁架上面,通过吊杆活钢绞线与网架活桁架的支座相连逐步升到设计标志。提升点设在网架或桁架附近,提升设备可用千斤顶。
2、高空散装法。将网架的全部杆件和节点逐一提升到高空后一次性拼装完成,此种方法只需要搭建大量的支架。还可以将预先在地面上将网架制作成椎体活平面桁架形式的小拼单元并组成一个稳定系统,最后将小拼单元按规定的顺序逐渐延伸后拼成整体。
3、高空滑移法。将平面单元分为条段的结构单元后在滑轨上滑移到设计位置,最后拼接成整体的安装方法。在第一个拼装单元拼装完毕后,将其下落至滑移轨道上,与牵引设备向前滑移一段距离。再安装第二个单元,拼好后连同之前的拼装单元一起向前滑移。
4、分块安装法。在单元连接处设量一些支架,把网架从平面分割成几个条状或块状单元,每个单元先在地上拼装好后用起重机吊到高空就位连成整体。这种施工方法需要很大的起重设备,起重设备的能力决定了条状的大小,适用于网架跨度、刚度、受力改变较小的钢架。
综上所述,要想弄清楚大跨度刚架拱桥的荷载横向分布情况,需要进行多方面的计算和总结,在计算过程中技术人员应该根据拱桥的实际情况展开工作,这样才能保证最终的结果具有较高的准确性。
