剛架拱橋病害檢測及加固設(shè)計

平頂山市交通局質(zhì)監(jiān)站 張克右

剛架拱橋病害檢測及加固設(shè)計

平頂山市交通局質(zhì)監(jiān)站 張克右

剛架拱橋是目前存在的較為普遍的一種橋型，由于現(xiàn)在車輛密度較大且超載車輛嚴(yán)重，使得許多橋梁出現(xiàn)不同程度的病害，影響到通車安全。本文通過實例對一剛架拱橋病害的試驗檢測，并根據(jù)試驗檢測結(jié)果提出不同的加固設(shè)計方案，通過分析比較選取合理方案。

一、工程概況

某剛架拱橋設(shè)計跨徑45米，失跨比1/8，橋?qū)?7米，下部采用樁基礎(chǔ)，上部采用部分預(yù)制、部分現(xiàn)澆拼裝，橋型采用剛架拱橋，橫向設(shè)置6片拱片。除橋面、填平層及接頭為現(xiàn)澆混凝土外，其余均為混凝土預(yù)制構(gòu)件；實腹段與拱腿采用鋼筋焊接現(xiàn)澆混凝土接頭。設(shè)計荷載：汽—超20級，掛車—120，該橋在運營中外觀出現(xiàn)：各拱片均存在裂縫，局部隔板出現(xiàn)斷裂，支座失效，橋面系破損較重，需加固處理。

二、試驗檢測

為了解橋跨結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)，判斷實際承載能力及其在設(shè)計使用荷載下的工作性能，為加固設(shè)計提供依據(jù)，先對該橋進(jìn)行試驗檢測，下面簡要說明試驗檢測（靜載試驗和動載試驗）。

1.靜載試驗。

（1）試驗內(nèi)容。

①主梁控制截面在試驗荷載（中載）下的撓度與應(yīng)變。

②主梁控制截面在試驗荷載（偏載）下的撓度與應(yīng)變。

③橋跨結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫情況。

④試驗荷載影響的其他技術(shù)指標(biāo)。

（2）靜載試驗荷載確定原則。為了保證荷載試驗的效果，采用設(shè)計依據(jù)的荷載分別計算橋跨結(jié)構(gòu)各控制截面的最不利效應(yīng)，用產(chǎn)生最不利內(nèi)力較大的荷載作為靜載試驗的控制荷載。靜載試驗荷載確定原則：

對各測試截面，按照內(nèi)力等效的原則，按內(nèi)力影響線布置試驗荷載，使得試驗荷載效率不小于0.8且不大于1.05，即：

0.8≤η=β1/[（1+α）*β]≤1.05

式中：η為靜力試驗荷載效率；

β1為靜載試驗荷載作用下，某工況控制最大計算效應(yīng)值；

β為設(shè)計荷載作用下控制截面最不利內(nèi)力計算值（不計沖擊系數(shù)）；

（1+α）為設(shè)計計算取用的沖擊系數(shù)。

試驗采用雙后軸重車進(jìn)行加載，試驗時，根據(jù)結(jié)構(gòu)個控制截面的影響線，實際使用加載車輛的技術(shù)指標(biāo)，調(diào)整車輛位置來確定各載位，使各控制截面試驗荷載的效率系數(shù)滿足0.8≤η≤1.05。

（3）測試截面的確定。對該橋建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜動力分析，得出橋梁在設(shè)計荷載下的內(nèi)力，根據(jù)內(nèi)力圖確定各控制截面測試項目（見表1）。

表1 各控制截面測試項目

（4）靜載試驗結(jié)果。在靜載試驗下，該橋主要受力截面上，個別工況下出現(xiàn)應(yīng)力校正系數(shù)大于1（最大應(yīng)力校正系數(shù)為1.09，超出了《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》中的要求），其余測點的應(yīng)力實測值小于理論計算值，即校正系數(shù)小于1。

在靜載試驗工況下，個別工況下出現(xiàn)撓度校正系數(shù)大于1（最大為1.08），其余測點的撓度實測值小于理論計算值，即校正系數(shù)小于1；殘余值與實測值之比小于0.2。

靜載試驗數(shù)據(jù)反映該橋大部分工況下應(yīng)力和撓度校正系數(shù)均小于1，但個別工況出現(xiàn)應(yīng)力及撓度校正系數(shù)超出規(guī)定值，表明橋梁承載力和結(jié)構(gòu)剛度出現(xiàn)下降，不能滿足原設(shè)計荷載汽車—超20級中重車55t的要求，荷載等級應(yīng)降低至原橋梁規(guī)范中規(guī)定的汽車—20級，即重車不大于30t。

2.動載試驗。

（1）試驗內(nèi)容。

①橋跨結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的反應(yīng)，主要包括動位移、動應(yīng)力、動力系數(shù)等。

②測定橋梁的振動特性，包括振型和阻尼特性等。

（2）測試項目。

跑車試驗：在橋面無任何障礙的情況下，單車以10、20、30、40、50km/h的速度跑過橋梁，測試橋梁的動應(yīng)變、位移響應(yīng)和衰減特征。

制動試驗：單車以20、30、40、50km/h的速度勻速行駛，在跨中制動，測試橋梁的位移響應(yīng)和衰減特征。

跳車試驗：主要測試個測點動力反應(yīng)，包括振幅、動應(yīng)力和強(qiáng)迫振動頻率。工況如下：單車以10km/h的速度勻速行駛，在跨中跳三角木后剎車，測試橋梁的動應(yīng)變、位移響應(yīng)和衰減特征。

通過橋梁結(jié)構(gòu)脈動測試和頻譜分析，確定橋梁結(jié)構(gòu)振動頻率、振型及其它震動參數(shù)；通過不同車速的重車跑車（無障礙行車試驗），觀測橋梁的振動特性（最大振幅、時程曲線）；在橋跨跨中，順橋制動，測定橋梁結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)及其衰減特征；順橋向制動試驗采用動態(tài)信號采集測試系統(tǒng)、傳感器進(jìn)行；跨中跳車試驗（有障礙行車試驗），測量橋梁位移響應(yīng)、衰減特性；有障礙行車試驗采用動態(tài)信號采集測試系統(tǒng)、傳感器進(jìn)行。

（3）動載試驗結(jié)果。該橋豎向及順橋向?qū)崪y頻率大于理論頻率，而橫向頻率小于理論值，橋梁橫向剛度下降，且結(jié)構(gòu)存在損傷，跳車時激起結(jié)構(gòu)的振動量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于跑車和剎車時激起主梁的震動量。

綜合動、靜載試驗評定：該橋技術(shù)狀況綜合評定為3類橋，但并不排除個別構(gòu)件技術(shù)狀況差或危險的狀態(tài)。

三、加固設(shè)計方案一實施步驟及技術(shù)特點

根據(jù)橋梁荷載試驗及建模計算，該橋主孔的薄弱位置出現(xiàn)在拱腳上緣、拱頂下緣、大節(jié)點和小節(jié)點的上緣等地方，而副孔的薄弱位置在跨中下緣。為提高橋梁承載力和剛度，恢復(fù)原橋梁設(shè)計荷載要求，依據(jù)各部位受力方式的不同，擬定以下兩個加固方案。

方案一：拆除橋面現(xiàn)澆層，采用增大構(gòu)件截面尺寸加固法進(jìn)行加固，即對拱腿、弦桿及實腹段增大截面或黏貼鋼板，整體現(xiàn)澆橋面層。

1.方案具體實施步驟如下。

（1）將拱腿的斷面保護(hù)層鑿開，現(xiàn)有裂縫用環(huán)氧樹脂填死閉合，用環(huán)氧樹脂粘貼鋼板，并使鋼板與原鋼筋焊接。加箍新的箍筋，并焊接在鋼板上，綁上主筋形成鋼筋骨架，然后外包澆注新的C40膨脹混凝土（見圖1）。

（2）進(jìn)行全橋上下部各構(gòu)件仔細(xì)檢查（橋面肋板和橋面鋪裝層可不檢查），先對存在破損、漏筋部位進(jìn)行處理。

（3）裂縫檢查及處理。對上下部構(gòu)件中存在裂縫的部位進(jìn)行封閉處理。

（4）全橋及單跨對稱均衡拆除原橋面防撞護(hù)欄和鋪裝層混凝土，拆除橋面系混凝土?xí)r，應(yīng)采用人工鑿除法，不能使用重型機(jī)械鑿除。鑿除應(yīng)對稱（對稱于本孔跨中）進(jìn)行。

（5）拆除原橋面肋板，吊裝走肋板務(wù)必做到對稱、均衡進(jìn)行。

（6）人工拆除原拱片頂面的凸塊（圖2），露出原凸塊內(nèi)的箍筋，不要弄斷露出的箍筋，拆除橋面系后，對原未發(fā)現(xiàn)的拱片裂縫等缺損部位進(jìn)行封閉處理。

圖1 拱腿斷面加固

圖2 拆除凸塊

（7）在主孔段，分別鑿開每片上弦桿及實腹段的側(cè)面和下緣保護(hù)層，露出主筋和箍筋，將箍筋接長，焊上新的箍筋，焊接長度不小于10d，綁上主筋形成鋼筋骨架，然后澆筑C40膨脹混凝土（圖3）。

（8）弦桿受力不大，采用環(huán)氧樹脂粘貼鋼板加固（圖4）。

（9）安裝橋面板下模板和安放好鋼筋（原拱片頂面伸入到橋面現(xiàn)澆板內(nèi)的鋼筋務(wù)必與新安放的鋼筋綁扎好，并進(jìn)行除銹，保證原箍筋露出的部分全部伸入到橋面現(xiàn)澆層內(nèi)），對院橋拱片上的橫隔板頂面鑿毛，清洗好拱片和橫隔板與橋面現(xiàn)澆層的接觸面；澆注橋面現(xiàn)澆C40膨脹混凝土。

圖3

圖4

2.加固方案設(shè)計拱片加固圖（見圖5）。

圖5 加固方案設(shè)計拱片加固

3.方案技術(shù)特點。

（1）主拱腿拱腳段上緣頂面新增鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，可以顯著增強(qiáng)拱腿承載力。

（2）采用加大截面加固，分析概念明確，承載力提高較顯著，同時有效增加結(jié)構(gòu)整體剛度。

四、加固設(shè)計方案二實施步驟及技術(shù)特點

方案二：拆除橋面現(xiàn)澆層，拱頂下緣及弦桿跨中下部粘貼CFRP碳纖維布，整體現(xiàn)澆橋面板和主拱腿橫向連接板。

1.方案具體實施步驟如下。

（1）主拱腿拱腳段上緣頂面新增鋼筋混凝土現(xiàn)澆板施工。

A.安裝拱腿全部模板。

B.植筋。

C.安裝好所有鋼筋，鋼筋網(wǎng)的節(jié)點要求部分點焊，部分綁扎成梅花形。

D.澆注本段混凝土。

E.得以上混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的90%以后，全橋及單跨對稱均衡拆除拱腿模板。

F.拆除模板后留下露出構(gòu)件表面的錨栓要進(jìn)行除銹處理。

（2）同方案一（2）。

（3）同方案一（3）。

（4）同方案一（4）。

（5）同方案一（5）。

（6）同方案一（6）。

（7）對需要粘貼CFRP碳纖維布的拱腿及弦桿底面進(jìn)行處理；基面清洗→刷涂底膠→粘貼面的修補(bǔ)→粘貼碳纖維布CFRP→罩面防護(hù)處理。

（8）同方案一（7）。

2.方案技術(shù)特點。

（1）主拱腿拱腳段上緣頂面新增鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，不僅可以顯著增強(qiáng)拱腿承載力，而且增強(qiáng)橫橋向各拱片的聯(lián)系，明顯提高橋梁橫向剛度。

（2）粘貼CFRP碳纖維布，能夠在補(bǔ)強(qiáng)承載能力的同時，有效封閉混凝土裂縫，另外不增加構(gòu)件重量，施工簡便迅速；橋面現(xiàn)澆層重新澆注C40混凝土，有效提高橋梁整體性，恢復(fù)橋梁承載力。

五、方案比選

方案一：采用加大截面加固，分析概念明確，承載力提高較顯著，有效提高結(jié)構(gòu)整體剛度。但施工較繁瑣。

方案二：橋梁橫向整體性顯著增強(qiáng)，承載力得到提高。該方案施工簡便，容易操作，但承載能力與剛度提高幅度與方案一相比略小。

通過比選方案一作為加固實施方案。

六、橋梁改造后評價

該橋改造加固設(shè)計在病害分析的基礎(chǔ)上，采用了加大拱腳部位的鋼筋混凝土截面，拆除肋腋板，拱頂下緣及弦桿跨中截面下部粘貼CFRP碳纖維布，整體現(xiàn)澆橋面板的綜合技術(shù)措施，以提高了全橋的承載能力和剛度。

主拱腿拱腳部分鋼筋混凝土截面加大，增加了拱腳處拱圈截面尺寸與鋼筋，增大拱肋的應(yīng)力儲備，同時增大了拱腿的橫向聯(lián)系，提高了橋梁的橫橋向振動頻率，在很大程度上改善了橋梁的動力工作性能，保證橋梁的安全性和使用性。

粘貼碳纖維布加固法將高強(qiáng)復(fù)合碳纖維直接貼在拱肋薄弱部位，與被粘貼拱肋部分形成整體，共同受力，以限制裂縫的發(fā)展，提高橋梁的承載力。

經(jīng)加固后該橋病害得到較好的控制，工作性能得到很大的改善，而且施工簡單，工期短，經(jīng)濟(jì)性好。根據(jù)公路橋梁規(guī)范和設(shè)計要求，加固后的橋梁的受力總體上達(dá)到加固設(shè)計的預(yù)期目的，能夠達(dá)到原設(shè)計荷載汽—超20級，掛車—120的正常使用。