重载作用下波纹钢板加固旧桥的应变测试

梁养辉，刘百来，李 涵，王灵建，胡 滨

（1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075；2.西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710021）

0 引 言

采用波纹钢板对不同类型的旧桥进行加固，能最大限度地维持旧桥的原貌，不仅具有较大的人文、景观意义，而且具有很好的经济效益和应用价值，是目前中国一种新型的桥涵加固工程应用技术。波纹钢板结构耐久性好，对地基承载要求相对较低，适应不均匀沉降变形能力强，能够承受较大上部荷载的重压；而且由于波纹钢板材质相对较轻，可按不同结构尺寸在工厂加工生产，再运至现场进行拼装，拼装工艺简单便捷，占用的施工空间相对较小，可以大大缩短施工周期，也减少了对环境的破坏［1－3］。国内多位专家学者对波纹钢板桥涵进行了研究，如孔令杰对混凝土桥梁旧桥加固的必要性和经济性以及旧桥加固技术、方法进行了阐述［4］；华南理工大学的蔡事廷等结合实际工程，经过理论计算论述了在旧桥上部结构完全失去承载力的情况下用波纹钢板加固旧桥的安全性［5］；中交第一公路勘察设计研究院有限公司的胡滨等结合依托工程，对新建3孔4m波纹钢板拱桥结构的稳定性及地震作用下的动力响应进行了分析［6］；重庆交通大学的郭力源等通过现场试验，对车辆荷载作用下新建3孔4m波纹钢板拱桥的管外土压力变化规律进行了系统阐述［7］；中交第一公路勘察设计研究院有限公司的李祝龙等结合依托工程对低路堤荷载作用下新建的3孔4m波纹板钢拱桥应变进行了测试，得出应变变化规律［8］；安徽省交通投资集团有限责任公司的李晓勇、曹兴海等对荷载作用下波纹钢管涵洞的管内应变进行了现场测试，得出其变化规律［9－10］；中交第一公路勘察设计研究院有限公司的李祝龙等对荷载作用下波纹钢管涵洞的管外土压力进行了现场测试，得出其变化规律［11－12］；重庆交通大学的胡小兵等通过室内模拟分析，对高路堤波纹钢管涵与钢筋混凝土拱涵土压力进行了对比分析［13］。除此之外，一些学者采用有限元模拟分析，对波纹钢管涵洞力学性能进行了研究［14－17］，或对波纹钢管涵洞施工工艺进行了详细分析［18－23］。

由以上分析可以看出，国内对波纹钢管涵洞的研究较多，而对于波纹钢板桥梁研究较少，特别是波纹钢板加固旧桥鲜有报道。现有的文献也仅对波纹钢板加固旧桥的技术、方法、经济优越性及安全性进行了阐述和理论计算，而对于波纹钢板加固旧桥的力学性能现场试验缺乏研究。本文通过现场试验对重车车载作用下波纹钢板加固旧桥的应变规律进行阐述，以期为波纹钢板加固旧桥的设计与施工提供参考。

1 工程概况

本文以云南省昆明市宝象河海子桥旧桥加固项目作为依托工程。宝象河海子桥是一座跨径16m、矢高1.7m的低弧双曲拱桥，建成于1976年，是连接国道320和海子村的惟一通道，经过40多年的使用，桥面破损严重，桥身多处出现了开裂，已存在诸多安全隐患，亟需修复加固。

本项目所用的波纹钢板拱采用片状Q345热轧钢板板片逐个拼装而成。波纹板钢加工后采用热浸镀锌等方式进行防腐处理，镀锌层厚度大于84μm。施工时，首先对桥梁病害进行养护维修，接着对桥墩基础处的地基进行清淤处理，再用C25混凝土回填并振捣密实，然后采用M7.5浆砌片石对河道进行整修，最后安装波纹钢板片。待板片安装完成后，对波纹钢板拱与钢筋混凝土拱之间采用C30自密实混凝土填充，使波纹钢板拱片与钢筋混凝土拱成为一个整体。

旧桥加固施工顺序依次为：桥梁病害处理、基础施工、波纹钢板安装、加固筋绑扎、填充混凝土、旧桥面开挖、桥面施工。

2 测试方案

2.1 应变计布设

为了总体上了解采用波纹钢板加固后的宝象河海子桥在重载作用下的力学性能，考虑在2个拱脚、1／4跨、拱顶及3／4跨处分别布设应变计，并取路中和行车道2个测区。为了提高采集数据的精度和减少采集数据的漂移，本次数据采集采用高精度的光栅光纤数据采集系统。

沿波纹钢板拱的周向在道路中心线及行车道正下方分别在拱顶、1／4跨、3／4跨及2个拱脚布设测点，共计10个测点。应变计布设位置如图1所示，应变计编号如图2所示。

图1 应变计布设位置

图2 应变计编号

2.2 测试工况

依据当地的交通荷载情况，本次测试用重车车载总重为90.12t（当地最重载车辆），其前后轴距为5.863m，前轴重26.34t，后轴重63.78t；采用光栅光纤数据采集仪采集重车车载沿道路中心线由南至北在桥面上移动时各个测点的应变数据。测试具体工况共5个（图3）。

（1）工况1：重车后轴位于拱脚（南）处（图3中①位置）。

（2）工况2：重车后轴位于3／4跨处（图3中②位置）。

（3）工况3：重车后轴位于跨中拱顶处（图3中③位置）。

（4）工况4：重车后轴位于1／4跨处（图3中④位置）。

（5）工况5：重车后轴位于拱脚（北）处（图3中⑤位置）。

图3 测试工况示意

3 试验测试结果分析

3.1 纵断面各测点在不同工况下的应变分析

在不同工况下，道路中线测区和行车道测区纵断面各测点应变测试结果分别见图4、5。

图4 道路中线测区各测点在不同工况下的应变

从图4、5可以看出，各个工况下，纵断面各测点应变变化规律相似。车辆沿桥中心线由南到北行进时，桥北到桥南道路中线测点和左车道测点应变均存在由压应变到拉应变再到压应变的变化趋势，桥两侧拱脚位置主要表现为压应变，桥拱顶附近位置主要表现为拉应变；当加载车后轴位于拱顶附近位置时拉应变较大，后轮压桥1／2处时拉应变达到最大值8.806×10－6，此时可作为设计和观测的重点时刻。1／2跨测点附近折线斜率大，说明在桥跨中部附近应变变化快，桥跨中部位置可作为设计和观测时的重点位置。

图5 行车道测区各测点在不同工况下的应变

3.2 横断面各测点在不同工况下的应变分析

在不同工况下，波纹钢板横断面各测点应变测试结果分别见图6～10。

图6 拱脚（南）横断面位置测点的应变变化

图7 1／4跨横断面位置测点的应变变化

图8 2／4跨横断面位置测点的应变变化

图9 3／4跨横断面位置测点的应变变化

图10 拱脚（北）横断面位置测点随不同工况应变变化

从图6可以看出，各个工况下，测点1和测点6的应变变化趋势相似。测点1主要表现为压应变且存在压应变逐渐增大到最大值再逐渐减小的过程，测点6主要表现为拉应变且存在拉应变逐渐增大到最大值再逐渐减小的变化过程；当重车车载作用于桥两侧时，拉压应变比较小，随着重车车载往桥中心移动，拉压应变逐渐增大，移动到桥拱顶附近时拉压应变达到最大值。对于桥南侧拱脚断面，当重车车载作用于拱顶附近时处于最不利工况，应作为设计和观测时的重点工况。

从图7可以看出，车载车身压桥中线由南到北行进的各个工况下，测点2和测点7的应变变化趋势相似，即压应变逐渐增大到最大值再逐渐减小、压应变变为拉应变且逐渐增大、拉应变增大到最大值再逐渐减小。车载作用于桥两侧时拉压应变比较小，在车载后轮压桥3／4处时测点2和测点7存在压应变转化为拉应变的变化。对于桥梁1／4跨断面，当重车车载作用于拱顶附近时处于最不利工况，可以作为设计和观测时的重点工况。

从图8可以看出，重车车载沿桥梁中心线由南到北行进的各个工况下，测点3和测点8的应变变化趋势相似，即拉应变逐渐增大到最大值再逐渐减小。车载作用于桥两侧时拉应变比较小，随着车载往桥中心移动，拉应变逐渐增大且在桥拱顶附近拉应变达到最大值。对于桥3／4跨断面，当车载作用于拱顶附近时处于最不利工况，可以作为设计和观测时的重点工况。

从图9可以看出，重车车载沿桥中心线由南到北行进的各个工况下，测点4和测点9的应变变化趋势相似，即拉应变逐渐增到最大值再逐渐减小到0、拉应变变为压应变、压应变逐渐增大。对于桥梁3／4跨断面，当车载作用于拱顶附近时处于最不利工况，可以作为设计和观测时的重点工况。

从图10可以看出，重车车载沿桥中心线由南到北行进的各个工况下，测点5和测点10的应变变化趋势相似。测点5主要表现为拉应变且存在拉应变逐渐增大到最大值再逐渐减小的过程，测点10表现为压应变且存在压应变逐渐增大到最大值再逐渐减小的过程。车载作用于桥两侧时拉压应变比较小，随着车载往桥中心移动，拉压应变逐渐增大且在桥拱顶附近达到最大值。对于桥北侧拱脚断面，当车载作用于拱顶附近时处于最不利工况，可以作为设计和观测时的重点工况。

当重车车载作用于跨中附近时，各个测点的拉压应变值均较大。可见，当重车车载作用于跨中时，各测点均处于最不利工况，可作为设计和观测的重点工况。

4 结 语

（1）重车沿桥中心线由南到北行进时，各个工况下纵断面测点应变变化规律相似；各个横断面对应的2个测点应变随各个工况的变化趋势相似。

（2）重车沿桥中心线由南到北行进时，由桥南到桥南路中线测点和左车道测点应变均存在由压应变变为拉应变再变为压应变的变化趋势，桥两侧拱脚位置主要表现为压应变，桥拱顶附近位置主要表现为拉应变。

（3）重车沿桥中心线由南到北行进时，桥左右对称断面位置测点的应变特征相反。

（4）重车沿桥中心线由南到北行进时，当车载车身位于拱顶附近位置拉应变较大，位于拱顶位置时拉应变达到最大值，此时可作为设计和观测的重点工况。2／4跨测点附近折线斜率大，桥跨中附近应变变化快，桥跨中位置可作为设计和观测时的重点位置。