剛架拱橋加固方案研究

鄭慶平 （福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福建 福州 350004）

東山大橋位于省道306線，大橋上部結(jié)構(gòu)為單孔凈跨45m鋼筋混凝土剛架拱橋，矢跨比為1/8。橋梁設(shè)計(jì)車輛荷載為汽車-20級，驗(yàn)算荷載為掛車-100。橋面寬度為凈9+2×0.5m鋼筋混凝土護(hù)欄，主梁由橫向4片拱肋組成，拱肋間采用系梁連接，拱上橋面系采用6cm厚、矢跨比為1/16的微彎板預(yù)制安裝，上鋪鋼筋混凝土鋪裝層，鋪裝層厚度為橋梁中心19cm，橫坡為2%。下部結(jié)構(gòu)橋臺采用重力式U臺。

1 橋梁病害狀況

管養(yǎng)單位在日常巡查中發(fā)現(xiàn)該橋微彎板橋面有2處嚴(yán)重塌陷破損，隨后委托相關(guān)部門對該橋進(jìn)行外觀檢查。檢查出主要病害如下。

①橋面鋪裝在右側(cè)行車道（永春至仙游下行側(cè)）拱肋上方出現(xiàn)2條縱向超限裂縫；3條橫向超限裂縫；2處橋面嚴(yán)重坍塌破損。

②伸縮縫槽混凝土出現(xiàn)多條縱向裂縫，局部已碎裂。

③全橋除2片微彎板嚴(yán)重破損，另有21片微彎板出現(xiàn)47條順橋向裂縫，主要分布在下行側(cè)跨中位置，其中裂縫小于0.1mm的占13%，裂縫在0.1～0.2mm的占64%，大于0.2mm的超限裂縫占23%，最大縫寬達(dá)0.36mm；跨中右側(cè)第10～11塊微彎板加勁肋出現(xiàn)順橋向裂縫，最大縫寬0.22mm。

④左側(cè)行車道（仙游至永春上行側(cè)）靠內(nèi)側(cè)拱肋在接近跨中處的實(shí)腹段出現(xiàn)1條從上往下發(fā)育的超限裂縫，長度為0.6m；其他弦桿、斜撐、大節(jié)點(diǎn)、小節(jié)點(diǎn)等部位均未見明顯裂縫。

⑤全橋共有21道橫系梁，都出現(xiàn)了不同程度的豎向裂縫，且以永春至仙游下行側(cè)出現(xiàn)裂縫最多，少數(shù)裂縫已貫穿橫系梁斷面。

⑥通過鋪裝層取芯發(fā)現(xiàn)，部分位置的鋪裝層厚度偏小，偏差值最大達(dá)6cm，鋪裝混凝土與微彎板自然分開，兩者間的粘結(jié)狀況較差。

圖1 病害實(shí)例

2 病害原因分析

2.1 剛架拱橋的特性

鋼筋混凝土剛架拱橋與其他類型拱橋相比，它自重輕，造價(jià)低；外形輕盈，施工方便，因此在70～80年代曾被大量推廣修建。這種橋梁結(jié)構(gòu)滿足了當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)活動的需求。但這種主體結(jié)構(gòu)采用預(yù)制拼裝，接頭和鋪裝采用現(xiàn)澆的橋梁結(jié)構(gòu)，對施工質(zhì)量要求很高，在運(yùn)營期很容易出現(xiàn)病害，從而影響其使用功能，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①主拱肋、微彎板及鋪裝層之間容易連接薄弱，造成整體剛度小，結(jié)構(gòu)在超限荷載作用下變形大，構(gòu)件容易開裂;

②主拱肋結(jié)構(gòu)尺寸小，結(jié)構(gòu)承載能力的儲備也不富余，抗震動、沖擊能力相對較弱，在車載長期作用下，容易導(dǎo)致構(gòu)件薄弱斷面出現(xiàn)裂縫和主要構(gòu)件的疲勞破壞；

③橫向系梁為混凝土偏心受拉構(gòu)件，尺寸偏小時(shí)，在橫向荷載作用下容易出現(xiàn)豎向裂縫，從而又削弱了橫向整體剛度和影響了構(gòu)件的耐久性；

④微彎板厚度偏薄，重車作用下容易開裂、穿孔、坍陷。

2.2 東山大橋的病害原因

東山大橋的設(shè)計(jì)車輛荷載為汽車-20級，掛車-100。經(jīng)建模計(jì)算分析，橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力滿足當(dāng)時(shí)規(guī)范要求。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)永春往仙游方向的運(yùn)煤重車多，其車載重量超過汽車-20級重車標(biāo)準(zhǔn)，仙游至永春方向運(yùn)煤空車多。而微彎板出現(xiàn)破損的兩個(gè)地方就在永春往仙游下行側(cè)車道上，同時(shí)微彎板及橫系梁上出現(xiàn)的裂縫也大多集中在這側(cè)。同時(shí)下行側(cè)位于3%的下坡路段，重車行駛時(shí)車速均較快，不平整的水泥混凝土橋面容易引起車輛振動。

通過分析，東山大橋橫系梁及微彎板病害產(chǎn)生機(jī)理是：原設(shè)計(jì)橫向系梁尺寸偏小、跨中處系梁間距偏大，部分鋪裝層厚度偏薄，未能與微彎板形成良好結(jié)合，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的橫向剛度偏小。在永春至仙游下行側(cè)超載重車的長期作用下，跨中最薄弱處的微彎板發(fā)生變形、開裂、塌陷和微彎板加勁肋開裂；隨著拱肋的側(cè)向擠壓外移，橫系梁發(fā)生受拉變形，當(dāng)拉應(yīng)力超出混凝土的受拉強(qiáng)度時(shí)，橫系梁出現(xiàn)豎向裂縫，從而又削弱了橋梁的整體橫向剛度。而下坡路段過快的車輛行駛速度、較差的橋面平整度，兩者耦合提高了車輛荷載對橋梁的沖擊作用，加劇橋梁的振動，使得裂縫不斷發(fā)育。

3 加固原則確定

由于肋拱豎向裂縫出現(xiàn)在接近跨中的實(shí)腹段拱頂受壓區(qū)區(qū)域，拱肋下緣、主拱拱腳、弦桿、斜撐、大節(jié)點(diǎn)和小節(jié)點(diǎn)等部位未出現(xiàn)裂縫，其余病害均為剛架拱橋易出現(xiàn)的通病，因此判定大橋主拱結(jié)構(gòu)的質(zhì)量基本可控。目前出現(xiàn)的大部分病害主要是影響到橋梁的耐久性和使用性能。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，省道306線下行側(cè)重車漸多，加固方案應(yīng)重點(diǎn)考慮充分利用現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)，用不大的代價(jià)，通過適當(dāng)提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，以滿足現(xiàn)狀功能要求，充分發(fā)揮橋梁的經(jīng)濟(jì)效益。因此，經(jīng)多方研究后初步確定按照汽車-超20級、掛車-120的車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加固驗(yàn)算。

取中肋為研究對象,計(jì)算模型假定橫向分配系數(shù)汽車為0.98，掛車為0.5，并考慮了溫度效應(yīng)、組合截面效應(yīng)（不考慮微彎板但計(jì)入橋面鋪裝10cm厚影響）和拱腳位移效應(yīng)。經(jīng)計(jì)算，原結(jié)構(gòu)拱腿上下緣、拱跨中下緣、弦桿上下緣等截面配筋偏少,不滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，需進(jìn)行加固。

4 加固方案設(shè)計(jì)

相對整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，剛架拱橋上部剛度小，微彎板抗彎能力弱，預(yù)制安裝構(gòu)件連接處整體性差。因此結(jié)合本橋病害情況從5個(gè)方面進(jìn)行了加固設(shè)計(jì)。

4.1 橋面系加固

橋梁荷載提高后，原橋面微彎板的配筋已不滿足設(shè)計(jì)要求，因此，加固設(shè)計(jì)考慮鑿除原橋面水泥混凝土鋪裝層（包括部分填平層），以微彎板為底模，澆筑新的鋼筋混凝土面板，使橋面板與微彎板及主肋形成組合截面共同受力。新鋪橋面板橫坡為1.5%，微彎板頂部橋面板厚控制不小于14cm，并根據(jù)計(jì)算進(jìn)行頂?shù)酌骐p筋配置。

圖2 橋面系橫剖面圖（單位cm）

4.2 橫向系梁加固

有研究表明，在輕型橋梁結(jié)構(gòu)中，橫系梁的設(shè)置對結(jié)構(gòu)的拱頂處的側(cè)向位移的限制有著重要的影響，而拱肋的側(cè)移，又加劇其他結(jié)構(gòu)的破壞[1]。本橋系梁截面尺寸偏小，跨中位置的系梁間距較大，導(dǎo)致系梁橫向約束較弱，特別是對拱頂處拱肋的側(cè)向變位限制，因此微彎板裂縫及系梁的豎向裂縫大部分都集中發(fā)生在跨中位置。

為加強(qiáng)橫向聯(lián)系，系梁加固采用增大截面積加固法，用外包鋼筋混凝土來提高拱腳Ⅱ型橫系梁尺寸從46×15cm加大為70×70cm和實(shí)腹段I型橫系梁尺寸從100×15cm加大為120×40cm。并在拱頂段原I型橫系梁間增設(shè)5道橫系梁，尺寸分別為43×50cm、55×30cm和80×30cm，系梁與主肋固結(jié)，以提高結(jié)構(gòu)橫向整體剛度。

4.3 主肋貼鋼加固

橋梁設(shè)計(jì)車輛荷載等級提高后，原剛架拱橋的拱腿、跨中下緣、弦桿上下緣部位的計(jì)算不滿足規(guī)范要求。經(jīng)綜合比選，加固采用粘貼鋼板加固方法以提高主要構(gòu)件的承載能力。

利用橋梁博士計(jì)算軟件，通過對橋梁單拱計(jì)算模型結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合拱架結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)情況，在應(yīng)力集中的拱腳、跨中下緣、弦桿側(cè)面粘貼厚度6mm的16Mn鋼板見圖3。經(jīng)驗(yàn)算，貼鋼后結(jié)構(gòu)截面承載力極限強(qiáng)度和正常使用極限強(qiáng)度均能滿足要求。

4.4 裂縫封閉加固

為提高結(jié)構(gòu)的耐久性，對檢測發(fā)現(xiàn)的非結(jié)構(gòu)性裂縫，進(jìn)行封閉加固處理。當(dāng)裂縫寬度不超過0.1mm的，直接采用結(jié)構(gòu)膠封縫；對縫寬超過0.1mm的裂縫應(yīng)進(jìn)行畢可法（即恒壓灌注法）灌縫壓漿。

4.5 伸縮縫更換修復(fù)

圖3 主拱粘鋼布置示意圖（單位cm）

應(yīng)對已損壞的伸縮縫進(jìn)行更換，以滿足橋面系的收縮變形需要，后期應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)管理。

加固完成以后，業(yè)主委托檢測單位進(jìn)行了橋梁的靜動載試驗(yàn)，檢測結(jié)果表明，加固后的橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到了設(shè)計(jì)荷載的正常使用要求，橋梁剛拱架片的受力得到較大改善，取得較為理想的加固效果。

5 結(jié)束語

剛架拱橋由于自身跨越能力強(qiáng)、工程造價(jià)低、施工方便、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)高，橋型結(jié)構(gòu)具有一定的價(jià)值，在很長一段時(shí)間得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)階段隨著社會經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展，運(yùn)營車輛的荷載等級的不斷提高，先期設(shè)計(jì)的剛架拱橋由于自身的整體剛度小、承載能力儲備少的特點(diǎn)，在服役過程中難免出現(xiàn)橋梁病害。因此對此類現(xiàn)存的橋梁，管養(yǎng)單位宜早檢查早加固，通過合理的技術(shù)手段以延長橋梁的使用壽命，如此可以節(jié)約大量的重建資金，讓剛架拱橋發(fā)揮最大的社會效應(yīng)。