喷射混凝土加固石拱桥荷载试验成果研究

夏川 魏超

摘要 随着车辆不断增量增重，空腹式石拱桥损伤愈来愈严重，采用喷射混凝土对主拱圈进行处治，加固后的效果需进行评价。通过加固前后桥梁荷载试验，文章采用有限元建模分析，在试验荷载与设计荷载等效情况下，对比静态应变、挠度、冲击系数以及基频等荷载参数，能直接反映桥梁加固后的效果。对于今后采用喷射混凝土加固的石拱桥提供了参考。

关键词 加固石拱桥；应变挠度；基频；荷载试验；评价

中图分类号 U445.72 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）04-0056-04

0 引言

石拱桥是一种古老的桥梁结构形式，就地取材方便，该结构形式一直使用至今。石料长时间风化，交通量不断增加，荷载不断提升，导致石拱桥损伤严重，加固改造迫在眉睫。石拱桥承载力不够，加固方法主要有增大截面、粘贴钢板、调整结构体系、增加体外预应力、钢套箍加固，其中增大截面是最常见的加固方法之一^[1]。现浇混凝土加固往往容易在加固区出现混凝土不密实现象，因不易养护而产生裂缝，采用喷射混凝土加固方法有效解决了这一问题的产生。

该文依托某市一座加固拱桥，通过荷载试验检测结果，验证了采用喷射混凝土加固方法能有效提高拱桥的承载能力，研究成果可为今后拱桥加固处治提供借鉴。

1 工程概况

腰滩子桥位于某市境内，桥梁全长58.62 m，宽16.8 m，行车道净宽16 m，桥梁设计荷载为公路－Ⅱ级，该桥于2006年建成通车。

上部结构：1×35 m空腹式石板拱桥，净跨径为35 m，净矢高为8.8 m，净矢跨比为1/4，主拱圈宽度为16.6 m，主拱圈厚度为1 m。下部结构：重力式桥台，扩大基础。桥面系：沥青混凝土铺装，C30混凝土防撞护栏。

在2016年通过现场对该桥主拱圈、拱上侧墙、桥台、桥面以及基础等全面检查，发现主要病害为主拱圈存在较多超限裂缝。根据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011） 要求对该桥技术状况评定等级为四类，参考《公路桥涵养护规范》（JTG H11—2004）的规定对全桥进行交通管制，对主拱圈裂缝进行加固处治^[2]。

维修加固处治方案：原主拱圈拱背（空腹段）和拱腹各加铺（拱腹采用喷射）20 cm、15 cm厚的钢筋混凝土增大拱圈截面积，腹拱圈拱腹采用喷射15 cm厚钢筋混凝土加固，新建钢筋混凝土护栏等。

2 试验内容

桥梁荷载试验包括静载试验和动载试验，通过静动载试验了解桥梁结构的实际受力状况和工作状态，评定其是否满足设计荷載等级的要求。

2.1 静载试验

2.1.1 加载工况及控制截面

根据该桥结构特点，结合理论计算结果和现场检测条件，确定该次荷载试验的加载工况及控制截面。控制截面的选取如图1所示，试验加载工况设置如表1所示。

2.1.2 应变测点布置

该次应变测试截面布置如图2所示，应变测试方式采用在表面粘贴应变片，采用静态信号测试分析系统进行测量。

2.1.3 挠度测点布置

该次挠度测点布置于桥面，按支点、L/4、L/2、3L/4、支点位置纵向布置，横向布置两条测线。

2.1.4 裂缝观测

荷载试验过程中，对桥梁外观检测存在裂缝的构件进行监测，监测荷载试验过程中裂缝变化情况，并监测控制截面附近是否有裂缝产生，通过已有裂缝的发展情况及是否有新裂缝产生来判断结构的抗裂性能^[3]。

2.2 动载试验

动载试验通过脉动试验及行车试验，测定桥梁结构的自振特性和结构的动力响应^[3]。

2.2.1 行车试验

行车试验主要分为无障碍行车试验、有障碍行车试验、制动试验。该桥无障碍行车试验采用一辆载重汽车（单车重约400 kN）分别以20 km/h、30 km/h的速度往返通过桥跨结构，测定桥梁在桥面铺装层完好时运行车辆荷载作用下桥跨结构的动载响应和冲击系数；有障碍行车试验采用一辆载重汽车（单车重约400 kN）分别以10 km/h、20 km/h的速度往返通过桥跨结构，模拟在桥面铺装局部损伤的情况下，桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动载响应和冲击系数；制动试验采用一辆载重汽车分别以10 km/h、20 km/h的速度通过桥跨结构，在桥梁跨中截面处进行刹车制动，测试桥梁结构在汽车制动力下的振动响应。

2.2.2 脉动试验

脉动试验用于测定桥跨结构固有振动特性，包括频率、阻尼比和振型。

3 有限元模型分析

该桥计算采用有限元软件Midas Civil建立有限元模型，进行恒载计算及活载分析，原主拱圈石料为MU40粗料石，砌缝为M7.5水泥砂浆，加固区采用C30混凝土。采用施工联合截面模拟拱圈加固过程，有限元模型共离散划分为405个节点，540个单元。有限元模型如图3所示。

通过计算在设计荷载作用下的控制截面内力，采用荷载等效方法，通过内力影响线加载方式，保证控制截面的荷载效率系数在0.95～1.05范围内，确定合适的载重汽车重量、数量以及具体的加载位置。该次加载车采用3辆40 t，荷载试验加载效率系数如表2所示。

4 测试结果

4.1 静载试验测试结果

腰滩子桥在各工况作用下控制截面应变测试结果如表3所示。

腰滩子桥在各工况作用下控制截面挠度测试结果如表4所示。

4.2 动载试验测试结果

4.2.1 行车试验

行车试验测定结构在动荷载作用下的冲击系数测试结果，如表5所示。

4.2.2 脉动试验

腰滩子桥的频率计算值与实测值如表6所示。实测振型图及频谱分析图如图4所示。

5 结果分析

（1）静载试验不同加载工况作用下，A-A截面（拱脚）各测点的应变校验系数在0.30～0.58之间，B-B截面（跨中）各测点的应变校验系数在0.43～0.58之间；B-B截面各测点的挠度校验系数在0.53～0.57之间。各测点校验系数均小于1，相对残余均小于20%，满足要求，表明结构在试验荷载下处于良好的弹性工作状态^[4]。

（2）无障碍行车下冲击系数为1.01～1.02，小于理论计算值1.31，有障碍行车下冲击系数为1.371～1.494，制动试验下冲击系数为1.153～1.201。无障碍行车试验、有障碍行车以及制动试验结果表明：桥梁测试截面跳车冲击系数比跑车冲击系数大，表明桥面铺装破损对桥跨结构的动力放大效应较明显。

（3）脉动试验结果表明：桥梁的实测基频（10.742 Hz）大于理论计算基频（6.34 Hz），表明桥梁结构整体刚度满足设计要求，各阶实测自振频率和振型与理论计算结果一致性相符，说明被测桥梁的实际振动特性与设计计算理论相符。

（4）在整個试验过程中，未发现可见裂缝。

（5）加固后与加固前荷载试验数据对比分析结果如下：

①静载试验数据对比分析结果。根据2016年对腰滩子桥（加固前）荷载试验检测结果：采用3辆35 t的加载车进行荷载试验，拱脚理论应变为86 με，实测应变39 με；拱顶理论应变为81～100 με，实测应变33～42 με，拱顶理论挠度为1.07～4.20 mm，实测挠度为0.58～2.42 mm。

该次荷载试验（加固后）采用3辆40 t的加载车进行荷载试验，拱脚理论应变为8～12 με，实测应变3～8 με；拱顶理论应变为9～23 με，实测应变4～15 με，拱顶理论挠度为0.93 mm，实测挠度为0.49～0.53 mm。

根据加固后与加固前的静载试验数据分析，加固后的应变和挠度均比加固前小，表明腰滩子桥加固后的整体刚度比加固前增大。

②动载试验数据对比分析结果。加固前无障碍行车下冲击系数为1.06～1.11，有障碍行车下冲击系数为1.44～1.52，制动试验下冲击系数为1.31～1.46。

加固后无障碍行车下冲击系数为1.010～1.020，有障碍行车下冲击系数为1.371～1.494，制动试验下冲击系数为1.153～1.201。

加固前实测基频3.970 Hz，加固后实测基频10.742 Hz。

根据加固后与加固前的动载试验数据分析，加固后的冲击系数小于加固前冲击系数，表明加固后比加固前车辆对桥梁结构振动作用减小，对桥梁的冲击作用减小；加固后的实测基频大于加固前实测基频，表明腰滩子桥的刚度加固后比加固前增大。

6 结论

（1）采用喷射混凝土加固，可以解决因养护不到位而产生的混凝土裂缝问题。

（2）采用喷射混凝土加固，桥梁刚度加固后比加固前增大，车辆对桥梁冲击作用减小，耐久性提高，行车舒适度提高。

（3）采用喷射混凝土加固，桥梁承载能力、结构刚度、动态特性等各项主要技术性能提高，满足设计要求。

参考文献

[1]赖道斌. 基于静动载试验的某石拱桥套拱加固效果分析[J]. 福建交通科技， 2022（5）： 72-74+81.

[2]熊志朋， 张林鹏. 某石拱桥技术鉴定及加固后效果评价[J]. 北方交通， 2018（2）： 9-12.

[3]夏靖. 连续刚构桥荷载试验研究[J]. 四川建筑， 2023（4）： 180-182.

[4]公路桥梁荷载试验规程： JTG/T J21-01—2015[S]. 北京： 人民交通出版社， 2016.

收稿日期：2023-12-21

作者简介：夏川（1987—），男，本科，工程师，从事桥梁检测工作。

通信作者：魏超（1987—），男，本科，工程师，从事道路桥梁检测工作。