既有鋼筋混凝土剛架拱橋承載能力評定與加固

賴蒼林

(福建省建筑科學研究院 福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

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既有鋼筋混凝土剛架拱橋承載能力評定與加固

賴蒼林

(福建省建筑科學研究院 福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

以一座鋼筋混凝土剛架拱橋為工程背景，通過橋梁結構檢測與技術狀況檢查、靜載試驗、承載力檢算等方法，對橋梁狀況進行了評估，結果表明，該橋的技術狀況等級為四類，主要構件有大的缺損，嚴重影響橋梁使用功能或承載能力，不能保證正常使用。拱腳承載能力不滿足要求。針對此剛架拱橋構件承載力不足、構件間連接弱、結構整體性差，變形較大的問題，提出若干加固措施，以提高承載力和增強整體性。

剛架拱橋；橋梁加固；橋梁靜載試驗；承載力評定

0 引言

剛架拱橋屬于輕型拱橋，曾因具有構件少、自重輕、節(jié)省材料、施工簡便、造型美觀等優(yōu)點而在我國得到了較廣泛的應用[1]。但由于早期的設計水平和荷載標準偏低，且此類拱橋整體性較差、橫向穩(wěn)定性往往不足、變形較大，容易導致拱肋產生較大撓度并使得主拱片、橫系梁、微彎板等構件開裂，影響橋梁的正常使用和行車安全[2-3]。因此，需對可能存在安全隱患的剛架拱橋進行承載力評估和維修加固，以求在滿足經濟性要求前提下提高橋梁的承載能力。實踐中通過在橋上施加車輛荷載，實測橋梁的撓度、應變等參數，根據規(guī)范檢算評價拱橋的實際承載力是否滿足要求。若評估表明，拱橋的承載能力和整體剛度不滿足設計荷載的要求，則可以通過加固的方式來提高橋梁承載力和可靠性[4-5]。常用的加固方法有橋面補強層加固法、增強橫向聯(lián)系加固法、拱肋增大截面法、體外預應力加固法、噴錨混凝土加固法、粘貼碳纖維布或鋼板加固法等[6]。

本文以一座鋼筋混凝土剛架拱橋為工程背景，首先通過外觀檢查發(fā)現拱橋在長期運營后發(fā)生的病害，并進行結構實體檢測，然后基于靜載試驗實測橋跨的撓度、應變等，根據規(guī)范檢算評定了橋梁的承載能力，最后針對該橋承載力不足和既有病害的問題，提出維修加固方案。本文所述的相關過程和方法可為同類剛架拱橋的檢測評估及維修加固提供借鑒作用。

1 工程概況

某鋼筋混凝土剛架拱橋，全長59.6m，寬21m，上部結構為凈跨3m的鋼筋混凝土矮肋板梁+凈跨50m鋼筋混凝土剛架拱+凈跨3m鋼筋混凝土矮肋板梁，橫向布設7片間距3.2m的剛架拱片。橋面鋪裝連續(xù)，兩側橋頭各設置了簡易伸縮縫。橋面板為矢跨比1/16、厚6cm的微彎板及現澆混凝土填平層。橋面寬度為3.35m(人行道)+14.3m(車行道)+3.35m(人行道)。下部結構采用鋼筋混凝土組合式橋臺。橋梁布置圖如圖1～圖2所示。為配合城鎮(zhèn)道路改造，需在橋面上加鋪10cm瀝青路面?？紤]到舊橋經過長期運營，已出現一些病害，可能存在承載力不足的情況，需評價該橋梁實際承載力和整體剛度。若不符合要求，則需要進行加固處理，加固后的橋梁應能滿足公路-Ⅱ級、人群3.5kN/m2(加鋪10cm瀝青混凝土鋪裝層)荷載等級的使用要求。

2 結構檢測與技術狀況評定

對剛架拱橋進行了外觀檢查，發(fā)現該橋存在的主要病害有：①橋面較大面積坑洞、露筋損壞，微彎板普遍開裂；②人行道破損和路緣石缺失；③拱肋蜂窩麻面，拱腳露筋銹蝕，橫系梁混凝土剝落；④橫系梁、拱腳、拱肋跨中實腹段及大小節(jié)點附近弦桿段存在較多裂縫，部分裂縫超過規(guī)范限值0.25mm。根據《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21-2011)[7]，采用分層綜合評定與5類橋梁單項控制指標相結合的方法對橋梁進行技術狀況等級評定，即先對橋梁各構件進行評定，然后對橋梁各部件進行評定，再對橋面系、上部結構和下部結構分別進行評定，最后進行橋梁總體技術狀況的評定。經評定，該橋的總體技術狀況評分為57.88，技術狀況等級評定為四類，即主要構件有大的缺損，嚴重影響橋梁使用功能或承載能力，不能保證正常使用。

此外，對橋梁進行結構實體檢測。現場抽取部分剛架拱片的拱腿、斜撐、弦桿段，采用回彈法進行現齡期混凝土強度檢測，檢測結果表明，所檢部位混凝土強度滿足原設計強度等級C30要求。所抽檢構件的鋼筋分布符合原設計圖紙要求。同時檢測發(fā)現，拱腳頂部鋼筋保護層較規(guī)范要求值偏小，拱腳區(qū)域有銹蝕活動性，但銹蝕狀態(tài)不確定，可能坑蝕。

3 靜力荷載試驗

3.1 試驗概況

本次剛架拱橋靜載試驗分2個工況進行，試驗加載車輛的布置根據各控制截面在公路-Ⅱ級，人群3.5kN/m2(考慮了10cm瀝青鋪裝層)作用下的最不利效應值，按照內力等效原則計算而得。試驗采用5部三軸載重汽車進行加載，使得靜載試驗荷載效率 為0.95～1.02，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)[8]的要求。各工況內容如表1所示。

圖1 橋立面布置圖(單位：cm)

圖2 橋橫斷面布置圖(單位：cm)

工況內容量測內容設計理論值試驗理論值荷載效率工況一右偏加載跨中最大正彎矩(kN.m)節(jié)點最大負彎矩(kN.m)拱腿最大軸力(kN)拱片位移,應變、裂縫2002011.01-533-5421.02-1324-12850.97工況二居中加載跨中最大正彎矩(kN.m)節(jié)點最大負彎矩(kN.m)拱腿最大軸力(kN)拱片位移,應變、裂縫2001980.99-533-5140.96-1324-12580.95

3.2 試驗結果

工況1測試結果表明，所檢控制截面應變校驗系數在0.67～0.86之間，最大相對殘余應變?yōu)?6.87%；所檢控制截面撓度校驗系數在0.78～0.94之間，最大相對殘余變形為17.34%。

工況2測試結果表明，所檢控制截面應變校驗系數在0.74～0.94之間，最大相對殘余應變?yōu)?8.00%，所檢控制截面撓度校驗系數在0.64～0.93之間，最大相對殘余變形為19.68%。

試驗過程中，對已有跨中拱肋裂縫進行觀測：初始縫寬0.15mm，工況1滿載下縫寬0.19mm，工況2滿載下縫寬0.20mm，退載后縫寬0.16mm。拱肋未發(fā)現新增裂縫，其余部件工作狀況未見明顯異常。

4 剛架拱橋承載力檢算

4.1 空間有限元分析模型

采用MIDAS/Civil有限元軟件建立剛架拱橋空間有限元模型。弦桿、實腹段、拱腿、斜撐和橫系梁都采用梁單元模擬，拱腿與弦桿、實腹段采用剛性連接，斜撐與弦桿采用剛性連接，橫系梁的兩端也采用剛性連接，弦桿支座簡支約束，拱腿和斜撐支座固結約束。微彎板和橋面板采用一定厚度的板單元模擬，即板單元與剛架拱片共同承受荷載作用。結合參數分析，并根據靜載試驗撓度橫向分布實測數據，采用對橫系梁剛度適當折減的方法對有限元模型進行修正，來考慮橫系梁開裂剛度下降對剛架橋各拱片內力的影響。模型所采用的材料參數根據實測結果，按現行規(guī)范取值，模型如圖3所示。

圖3 剛架拱橋有限元模型

4.2 承載能力檢算分析

(1)分項檢算系數的確定

基于上述荷載試驗結果，主要控制截面撓度測點的校驗系數為0.64～0.94，根據檢測評定規(guī)程[8]的規(guī)定，確定檢算系數Z2為0.98。本次檢算時直接用承載能力檢算系數Z2進行。

根據橋梁缺陷狀況、材質狀況與狀態(tài)參數檢測結果，惡化狀況評定標度E為1.87，線性內插計算得到配筋混凝土橋梁結構或構件惡化系數ξe為0.02；結構構件截面折減系數ξc為1.00，鋼筋截面折減系數ξs為0.98。

(2)承載能力檢算結果

根據檢測評定規(guī)程[8]，當缺乏施工技術資料時，混凝土收縮產生的內力計算可等效為溫度額外降低引起的拱圈內力。檢算時考慮剛架拱為節(jié)段預制安裝，收縮影響按相當于降溫15℃進行計算。其余荷載計算及組合按《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[9]進行，主要的基本組合如下：

組合Ⅰ=1.2恒+1.4車輛+1.12人群+1.0砼收縮(-15℃)

組合Ⅱ= 1.2恒+1.4車輛+0.98人群+1.0砼收縮(-15℃)+0.98年溫差(-17℃)

組合Ⅱ= 1.2恒+1.4車輛+0.98人群+1.0砼收縮(-15℃)+0.98年溫差(+17℃)

按上述組合對該橋進行承載能力檢算，結果如表3所示。結果表明，拱腳截面承載能力不滿足公路-Ⅱ級、人群3.5kN/ m2(考慮10cm瀝青鋪裝層)的荷載使用要求。

5 加固方案

由于該剛架拱無法滿足公路-Ⅱ級、人群3.5kN/m2(考慮10cm瀝青鋪裝層)的荷載要求，針對該橋梁存在構件承載力不足，構件間連接弱、結構整體性差、變形較大的問題，制定專項加固維修方案，主要如下：

(1)拱肋跨中兩側各10m的范圍內，拱肋下緣粘貼10mm厚U型鋼板，加配6mm厚U型壓條。拱肋大節(jié)點兩側粘貼10mm厚整體大鋼板。橫系梁采用6mm厚整體鋼板加固，以增強橫向剛度。粘貼鋼板采用環(huán)氧樹脂化學灌漿濕式外包鋼法施工。

(2)將拱腿2.5m范圍內進行外包混凝土加大截面，拱腿頂面與側面增加15cm厚混凝土，頂面加配6根25受力鋼筋。

(3)針對拱肋弦桿開裂嚴重，采用粘貼6mm厚鋼板條方法進行加固。

(4)針對微彎板普遍破損、開裂嚴重，加勁肋開裂嚴重的情況，更換全橋微彎板，同時加強橋面鋼筋，更換鋪裝層。

(5)為配合道路改造工程，鋪設10cm瀝青混凝土鋪裝層，根據鋪設瀝青面層的標高，更換伸縮縫，采用TST無縫伸縮縫。

(6)鑿除所有剝落、疏松、腐蝕的劣化混凝土，先對外露銹蝕鋼筋除銹，然后用丙乳砂漿修補。

(7)對所有寬度大于0.15mm的裂縫進行灌漿處理，灌漿膠采用優(yōu)質A級環(huán)氧灌縫膠，其余一律在進行裂縫的灌漿過程中一并封閉。

在上述MIDAS/Civil有限元模型中，假設加固后新舊材料協(xié)調工作良好，直接更改經加固后的構件的相關截面參數，其中，粘鋼加固后的混凝土構件按抗彎慣性矩等代換算為混凝土截面的方式進行等效。加固前后模型進行內力計算比較，表2為加固前后撓度計算結果，表3為加固前后各關鍵截面的強度計算結果。計算結果表明，該加固設計方案對橋梁的薄弱環(huán)節(jié)進行加強，有效地提高了橋梁整體剛度和承載能力，增加了安全儲備。

表2 加固前后汽車荷載作用下拱肋結構變形

表3 最不利荷載組合下拱肋關鍵截面承載能力檢算結果

注:①Nj、Mj:指截面內力；NR、MR:指截面抗力。②加固前后的截面抗力采用現行設計規(guī)范計算得到。

6 結語

通過對一座既有鋼筋混凝土剛架拱橋承載能力檢測評定與維修加固設計案例的介紹，總結如下：

(1)既有剛架拱橋的實際承載能力，應基于現狀結構檢測、技術狀況檢查和荷載試驗等實測結果，根據規(guī)范進行評估，評估結果認為：該剛架拱橋的承載能力不滿足按照公路-Ⅱ級、人群3.5kN/m2(考慮10cm瀝青鋪裝層)荷載要求，橋梁的技術狀況等級為四類，嚴重影響橋梁承載能力，不能保證正常使用。

(2)針對該剛架拱橋的構件承載力不足、構件間連接弱、結構整體性差、變形較大的問題，采取對拱肋、拱肋節(jié)點和橫系梁等部位粘貼鋼板，拱腿外包混凝土加大截面等的補強方案，可提供橋梁承載力并增強整體性；建議加固完成后進行橋梁靜動載試驗，進一步驗證加固補強效果。

(3)本文所述相關過程和方法可為既有剛架拱橋的承載力評定和加固設計提供參考。

[1] 顧安邦，孫國柱.拱橋(下冊)[M].北京：人民交通出版社，1996.

[2] 吳鑒軍，莫寧，徐永峰.剛架拱橋的病害原因與加固分析[J].廣西大學學報(自然科學版)，2008，33(z1):61-63.

[3] 李枝軍，李愛群，繆長青.剛架拱橋病害與損傷識別的動力學研究[J].振動、測試與診斷，2008，28(4):387-389.

[4] 張開鵬，蔣玉龍，曾雪.橋梁加固的發(fā)展與展望[J].公路，2005(8):299-301.

[5] 項貽強，楊萬里，潘仁泉，等.拱索體系加固的剛架拱橋荷載橫向分布[J].中國公路學報，2007，20(4):91-95.

[6] 路飛，彭程，常見橋梁加固方式的分析比較與應用研究[J].公路,2013(10):121-123.

[7] 交通運輸部公路科學研究院.公路橋梁技術狀況評定標準[S].北京：人民交通出版社,2011.

[8] 交通運輸部公路科學研究院.公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].北京：人民交通出版社,2011.

[9] 中交公路規(guī)劃設計院.公路橋涵設計通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社.2004.

Bearing Capacity Evaluation and Reinforcement for the Existing Reinforced Concrete Rigid Arch Bridge

LAICanglin

(Fujian Academy of Building Research, Fujian Key Laboratory of Green Building Technology,Fuzhou 350025)

A reinforced concrete rigid arch bridge is selected as the sample of the required engineering background.Based on the bridge routine detection , static testing and load capacity evaluation, the condition of required engineering bridge was evaluated.It can be concluded that the main components have large defects, the load capacity of bridge is severely weakened which can not be normally used.The technical grade of the bridge is 4 grade.It has been found that the connections among the components were weak resulting in relatively poor structural integrity, inadequate longitudinal rigidity and large deformations.Due to these drawbacks, all the arch ribs and springing together with the straining beams were reinforced by means of bonding steel plates after sealing the detected cracks.The integrity and bearing capacity of the arch bridge can be highly improved in order to meet the requirement of the new design loads.

Rigid-framed Arch Bridge; Bridge Strengthening; Static Testing; Bearing Capacity evaluation

賴蒼林(1980.1- )，男，高級工程師。

E-mail:34874311@qq.com

2017-04-10

U448.22

A

1004-6135(2017)08-0081-04