在役桁架拱橋結(jié)構(gòu)狀況評(píng)定與維修加固方案設(shè)計(jì)

陳國(guó)佳

（東臺(tái)市市政養(yǎng)護(hù)管理所，江蘇 東臺(tái) 224215）

0 引言

鋼筋混凝土桁架拱橋是繼雙曲拱橋之后發(fā)展起來(lái)的一種拱橋結(jié)構(gòu)型式，兼具桁架橋自重輕和拱橋跨越能力強(qiáng)的特點(diǎn)，且施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉，用于地基較差的橋位處。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，曾一度在全國(guó)范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。但隨著使用年限增加，在復(fù)雜荷載作用及環(huán)境因素的綜合影響下，材料性能逐漸退化，出現(xiàn)了不同程度的病害，對(duì)其承載能力和安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。因此準(zhǔn)確、客觀地評(píng)定在役桁架拱橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，確定其實(shí)際承載能力并有針對(duì)性地進(jìn)行維修加固，對(duì)改善橋梁的使用狀況就顯得尤為重要。本文以某桁架拱橋的結(jié)構(gòu)狀況檢測(cè)和維修加固工程為背景，闡述了橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)定的主要內(nèi)容與過(guò)程，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際病害情況與承載力評(píng)定結(jié)果，明確了維修加固的目標(biāo)和加固過(guò)程中的結(jié)構(gòu)受力要求，提出了針對(duì)性的加固方案。

1 工程概況

某桁架拱橋建造于1987年，與河道正交，是一座東西向布置的橋梁，孔跨布置為（15.3+17.3+15.3）m，橋面總寬5.0 m，橋面鋪裝為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-10級(jí)，橋梁所處環(huán)境為Ⅱ類環(huán)境，如圖1所示。

圖1 某桁架拱橋立面圖

該橋建成通車至今已運(yùn)營(yíng)40多年，隨著橋梁服役時(shí)間的增長(zhǎng)，各個(gè)構(gòu)件出現(xiàn)了不同程度的材料退化和結(jié)構(gòu)病害。為全面掌握該橋的缺陷部位和發(fā)展趨勢(shì)、損傷的性質(zhì)，確定結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況等級(jí)，為后期維修管養(yǎng)提供依據(jù)，需要對(duì)該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)定。

2 橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估

2.1 橋梁外觀檢查

為了解橋梁的技術(shù)狀況，對(duì)該橋橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀檢查。檢查表明：該橋橋面混凝土鋪裝存在大面積的破損，局部有非貫通橫向裂縫；東、西側(cè)橋頭均出現(xiàn)輕微沉降，橋頭伸縮縫接縫處鋪裝均出現(xiàn)破損。泄水孔部分堵塞、缺損。北側(cè)部分護(hù)欄存在混凝土剝落、露筋的現(xiàn)象。上部結(jié)構(gòu)病害較為嚴(yán)重，全橋各跨桁架拱片及橫向支撐桿普遍存在銹脹露筋、混凝土剝落等病害，微彎板出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。對(duì)于下部結(jié)構(gòu)，0#橋臺(tái)臺(tái)身側(cè)墻結(jié)構(gòu)局部剝落。1#、2#橋墩拱座被船撞擊，拱座混凝土局部剝落。剝離的總面積超過(guò)整個(gè)拱座表面積的3%，如圖2、圖3所示。

圖2 拱片銹脹破損嚴(yán)重

由外觀檢查結(jié)果可知，由于年久失修，該桁架拱橋各個(gè)構(gòu)件均存在不同程度的病害，特別是上部結(jié)構(gòu)桁架拱片銹脹損壞嚴(yán)重，對(duì)橋梁的承載能力和安全運(yùn)營(yíng)造成了很大的隱患。綜上，該橋的技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)為D級(jí)，為“不合格狀態(tài)”。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)

2.2.1 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

采用回彈儀對(duì)該橋主要構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，選取12個(gè)主體構(gòu)件，共200個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，該次抽檢的構(gòu)件混凝土強(qiáng)度推定值在21.3～26.5 MPa，部分構(gòu)件混凝土存在材質(zhì)強(qiáng)度較低的情況。

2.2.2 鋼筋銹蝕性狀檢測(cè)

采用鋼筋銹蝕儀檢測(cè)該橋構(gòu)件中鋼筋銹蝕性狀。對(duì)全橋選取了兩片拱肋構(gòu)件，共計(jì)187個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行鋼筋銹蝕點(diǎn)位檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)情況，拱肋構(gòu)件有銹蝕活動(dòng)性，個(gè)別測(cè)點(diǎn)的電位水平高于-300 mV，銹蝕可能性為90%，已明顯開(kāi)始退化。

2.2.3 鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）規(guī)定，該橋所處環(huán)境屬于Ⅱ類環(huán)境，主筋保護(hù)層厚度均不得低于40 mm，箍筋保護(hù)層厚度不得低于25 mm。選取13個(gè)構(gòu)件，共計(jì)200個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用鋼筋檢測(cè)儀對(duì)鋼筋混凝土保護(hù)層厚度進(jìn)行測(cè)量，在抽檢的13個(gè)構(gòu)件中，主筋的保護(hù)層厚度平均值為27.9～34.1 mm，部分構(gòu)件混凝土保護(hù)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有影響。

2.2.4 混凝土碳化深度檢測(cè)

通過(guò)地方領(lǐng)導(dǎo)留言平臺(tái)，有效解決群眾“投訴無(wú)門(mén)”的現(xiàn)象，減少了網(wǎng)絡(luò)輿情發(fā)生量，取得了良好的成效。政府部門(mén)需宣傳自身平臺(tái)，打造自身平臺(tái)影響力，加強(qiáng)政務(wù)“一張網(wǎng)”的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“一個(gè)手機(jī)辦理所有業(yè)務(wù)”的服務(wù)，從群眾最關(guān)心的事情上解決問(wèn)題，從而減少網(wǎng)絡(luò)輿論的滋生。

選取9個(gè)主要受力構(gòu)件，共20個(gè)測(cè)區(qū)，采用在混凝土新鮮斷面觀察酸堿指示劑反映厚度的方法測(cè)定混凝土碳化狀況。檢測(cè)結(jié)果表明，各構(gòu)件的實(shí)測(cè)碳化深度均小于保護(hù)層厚度最小值，表明構(gòu)件的鋼筋目前不會(huì)由于混凝土的碳化而發(fā)生全面銹蝕。

2.2.5 混凝土裂縫檢測(cè)

通過(guò)目視檢查并結(jié)合裂縫寬度檢測(cè)儀對(duì)主拱肋裂縫的分度、長(zhǎng)度、寬度等進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)裂縫的分布和開(kāi)展情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以第二跨橫向第二片拱片為例，由圖4可知，拱肋裂縫主要分布在拱肋上弦桿的位置。

圖4 第二跨橫向第二片拱片主要裂縫分布情況

2.3 橋梁承載能力驗(yàn)算

為了分析結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，并為荷載試驗(yàn)提供理論依據(jù)，采用MIDAS/Civil建立空間桿系模型對(duì)該橋進(jìn)行計(jì)算，并選取三個(gè)典型控制斷面對(duì)該橋進(jìn)行承載能力驗(yàn)算，各項(xiàng)驗(yàn)算系數(shù)根據(jù)各結(jié)構(gòu)構(gòu)件物理力學(xué)參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行取值，荷載按照原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)汽-10級(jí)進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 某桁架拱橋計(jì)算模型及驗(yàn)算斷面示意圖

經(jīng)計(jì)算，在承載能力極限狀態(tài)下，主體結(jié)構(gòu)能滿足原設(shè)計(jì)汽-10級(jí)荷載等級(jí)的安全承載要求，但部分破損嚴(yán)重的斷面，如第二跨橫向第三拱片跨中位置斷面，其抗彎不能滿足承載能力要求，見(jiàn)表1。

表1 各控制斷面抗彎強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

2.4 荷載試驗(yàn)

荷載試驗(yàn)主要包括靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)兩部分。

靜載試驗(yàn)是通過(guò)結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，對(duì)橋梁工作狀態(tài)和承載能力進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)汽-10級(jí)荷載作用下各控制截面的撓度和彎矩，選取中拱跨中截面和中拱拱梁結(jié)合處截面為該次靜載試驗(yàn)的控制截面，如圖6所示。

圖6 靜載試驗(yàn)工況測(cè)試斷面選取示意圖

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）規(guī)定，結(jié)合該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取跨中拱肋最大正彎矩工況和拱腿頂主梁最大負(fù)彎矩工況為該次靜載試驗(yàn)的兩個(gè)試驗(yàn)工況。考慮實(shí)際加載車輛特性，經(jīng)計(jì)算，工況Ⅰ、Ⅱ分別選用一輛100 kN和一輛150 kN的兩軸重車進(jìn)行加載，各工況分兩級(jí)進(jìn)行加載。工況Ⅰ和工況Ⅱ的車輛加載布置如圖7所示。

實(shí)際加載時(shí)，當(dāng)加載至工況Ⅰ第二級(jí)時(shí)，撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均出現(xiàn)了超過(guò)1的現(xiàn)象，卸載后的殘余應(yīng)變也較大。表2為各加載工況下拱肋應(yīng)變和校驗(yàn)系數(shù)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表明：主拱跨中撓度校驗(yàn)系數(shù)在1.06～1.50，跨中拱肋撓度校驗(yàn)系數(shù)大多在1.07～1.72；應(yīng)變測(cè)點(diǎn)殘余應(yīng)變系數(shù)超過(guò)20%，說(shuō)明該橋不能處于完全彈性工作階段。依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》規(guī)定，該橋承載能力不能滿足原設(shè)計(jì)汽-10級(jí)荷載的使用要求。

圖7 靜載試驗(yàn)加載工況Ⅰ、Ⅱ分級(jí)加載示意圖（單位：cm）

表2 跨中拱肋應(yīng)變及校驗(yàn)系數(shù)

動(dòng)載試驗(yàn)的內(nèi)容主要為測(cè)量移動(dòng)車輛作用下主橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和沖擊系數(shù)。試驗(yàn)采用一輛10 t重車以10 km/h的速度駛過(guò)橋面，通過(guò)預(yù)設(shè)在下弦桿跨中位置處的動(dòng)應(yīng)變計(jì)記錄該橋的動(dòng)應(yīng)變時(shí)程信號(hào)。通過(guò)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線分析，得到主拱肋跨中截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變沖擊系數(shù)為0.18，如圖8所示。

圖8 動(dòng)載試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線

3 橋梁加固維修方案設(shè)計(jì)

通過(guò)結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估可知，該桁架拱橋主拱肋混凝土缺損嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)的縱、橫向剛度均存在一定程度上退化，不能滿足原設(shè)計(jì)荷載承載力要求。為保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，改善使用狀況，提高橋梁的承載力和通行能力，最大程度地延長(zhǎng)其使用壽命，需要對(duì)該橋進(jìn)行維修加固。

3.1 總體維修加固方案

該次加固工程選取U形鋼板作為主要加固材料進(jìn)行下弦主拱圈抗壓、抗彎加固，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較好，且施工工藝簡(jiǎn)單；對(duì)同時(shí)承擔(dān)較大軸力和剪力的拱腳直腹桿采用增大截面法進(jìn)行加固；對(duì)橫向支撐桿采用外加角鋼支撐，以提高橋梁結(jié)構(gòu)整體性，如圖9所示。

圖9 桁架拱橋總體加固示意圖

對(duì)存在混凝土破損剝落、露筋銹蝕等病害的構(gòu)件，加固前應(yīng)先將構(gòu)件表面打磨平整，除去梁體表面浮塵、松散混凝土等，鑿除破損位置表層劣質(zhì)混凝土，采用樹(shù)脂型修補(bǔ)砂漿和改性細(xì)石混凝土對(duì)破損處進(jìn)行修補(bǔ)，采用塞柏斯（XYPEX）材料對(duì)裂縫進(jìn)行封閉修補(bǔ)，并對(duì)外露銹蝕鋼筋進(jìn)行除銹處理。

3.2 下弦桿及實(shí)腹段加固

桁架拱橋下弦桿主要受壓，同時(shí)承受較大的彎矩，對(duì)其下緣及側(cè)面粘貼8 mm厚的U形鋼板，能夠較好地控制下弦桿混凝土應(yīng)力，同時(shí)提高其承載能力。施工時(shí)，應(yīng)將混凝土表面清理干凈，對(duì)轉(zhuǎn)角粘貼處進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀，再粘貼鋼板。U形鋼板粘貼完成后，在其兩側(cè)安裝M12螺栓和鋼壓條，對(duì)鋼板進(jìn)行錨固，如圖10所示。

圖10 下弦桿及跨中實(shí)腹段加固

3.3 拱腳直腹桿加固

拱腳直腹桿采用對(duì)其側(cè)面外包15 cm厚鋼筋混凝土增大截面的方法進(jìn)行加固，可同時(shí)有效提高其承載力和剛度，對(duì)橋梁整體剛度提高十分有利。

施工前先清除拱片表面涂裝，鑿除表面風(fēng)化混凝土；隨后對(duì)拱背混凝土進(jìn)行鑿毛，表面凹凸不小于6 mm，露出粗骨料，對(duì)銹蝕鋼筋尚需進(jìn)行除銹，隨后按要求鉆孔植筋，綁扎鋼筋網(wǎng)，支?，F(xiàn)澆外包混凝土，如圖11所示。在施工中，應(yīng)采取添加微膨脹劑等措施，降低混凝土的收縮，保證混凝土密實(shí)。

圖11 拱腳直腹桿加固

3.4 橫向支撐桿加固

橫向支撐桿采用外加角鋼加固支撐的方式進(jìn)行維修，能夠有效增強(qiáng)各拱片間的橫向聯(lián)系，提高橋梁的整體橫向剛度，從而避免單個(gè)拱片承受較大荷載，如圖12所示。

圖12 拱肋橫向支撐桿加固立面示意圖

3.5 橋面系

全橋橋面鋪裝鑿毛20 mm，鋪設(shè)改性環(huán)氧樹(shù)脂薄層，厚為20 mm；墩臺(tái)斷縫處鑿開(kāi)增設(shè)彈性體伸縮縫；疏通橋面泄水孔，并增設(shè)直徑75 mm、長(zhǎng)度500 mm的UPVC管，以增強(qiáng)排水能力；橋臺(tái)臺(tái)背鑿除重筑，并增設(shè)彈性體伸縮縫；橋面護(hù)欄破損處采用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)并涂刷涂料，橋頭側(cè)墻增設(shè)簡(jiǎn)易人行護(hù)欄。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該桁架拱橋進(jìn)行的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估和維修加固方案設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論：

（1）考慮到現(xiàn)役桁架拱橋普遍存在建造時(shí)間早，使用年限長(zhǎng)，且在設(shè)計(jì)、施工等方面都有所欠缺的特點(diǎn)，對(duì)該類橋梁的結(jié)構(gòu)總體狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，應(yīng)采用包括荷載試驗(yàn)在內(nèi)的多種手段，充分了解橋梁的基本狀況、病害情況及工作性能，并建立橋梁資料卡片，為實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的科學(xué)管理、養(yǎng)護(hù)、維修及運(yùn)營(yíng)決策，確保運(yùn)營(yíng)安全提供依據(jù)。

（2）對(duì)桁架拱橋進(jìn)行加固和改造處理，應(yīng)充分考慮各構(gòu)件的受力特點(diǎn)，基于病害的發(fā)展?fàn)顩r，采用相應(yīng)的材料和有針對(duì)性的加固方法，從而在保證運(yùn)營(yíng)安全、提高承載能力、延長(zhǎng)使用壽命的前提下，兼?zhèn)漭^好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。