剛架拱橋的加固技術研究與應用

黃河 梅繼洲

基于剛架拱橋的結構特點和傳力機理，在分析剛架拱橋典型病害的基礎上總結了常用的加固技術，并針對某在役剛架拱橋既有病害問題，提出針對性的加固補強診治方案并建立加固效果評價機制。評價結果表明，該加固方案具有較強的實操性及可靠性，以期為相似在役橋梁的病害補強維修加固提供技術支持。

剛架拱橋是結合雙曲拱、桁架拱、斜腿剛構等橋型演變而來的高次超靜定結構，由于其具有橋態(tài)優(yōu)美、施工周期短、經(jīng)濟性佳等優(yōu)點而在我國20世紀80～90年代受到廣大設計者的青睞。然而，當時的設計理念過于追求經(jīng)濟效益，構件尺寸普遍偏小，再受到當時施工條件及工藝的限制，造成剛架拱橋結構本身提載空間較小。長時間在環(huán)境與超載的耦合作用下，部分在役剛架拱橋已存在不同程度影響到正常使用狀態(tài)的結構損傷，急需加固補強。

本文筆者結合多年設計經(jīng)驗給出了在役剛架拱橋的常用加固技術，并通過某在役剛架拱橋為例闡釋其典型病害問題并據(jù)此提出針對性的加固維修方案，旨在為今后同類型橋梁的維修加固設計提供借鑒和參考。

一、剛架拱常用加固技術

1.拱肋補強

受困于當時的設計理念和過度追求經(jīng)濟性的考慮，拱肋構造尺寸偏小，其作為剛架拱的主要承力構件，在日益增長的車輛荷載作用下極易發(fā)生徑向開裂，進而導致剛架拱承載力富裕度小的劣勢。

拱肋補強的措施主要是通過增大拱肋截面尺寸或者粘貼鋼板以提高拱肋承載力。前者主要是配合植筋技術在拱肋底面和側面外包混凝土，后者則需要依靠有效的錨固措施確保既有混凝土和粘貼鋼板同時協(xié)同變形，共同承擔上部荷載。

2.橫向聯(lián)系加固

剛架拱的橫向聯(lián)系主要分為基于弦桿、實腹段的橫系梁和拱腿、斜撐的橫系梁兩類。前者由于橋梁長期服役導致整體剛度損耗易造成中間工作區(qū)發(fā)生自上而下的開裂，其中實腹段的橫系梁病害情況尤為嚴重，甚至出現(xiàn)斷裂等影響橋梁結構安全的問題。后者由于損耗基本上都出現(xiàn)在橫系梁及拱腿的銜接位置，出現(xiàn)的混凝土裂縫不多，但當剛架拱整體剛度受損時，依然會出現(xiàn)連接失效甚至斷裂的情況。

橫向聯(lián)系加固主要基于“剛性橫梁法原理”采用鋼結構、混凝土加固方式來解決。鋼結構加固主要是從提高橫隔板剛度的角度出發(fā)基于既有結構性完整的的橫系梁采用焊接鋼結構的方式進行補強，混凝土加固則是在原來橫系梁的基礎上利用成熟的植筋技術增加橫梁的結構厚度和高度從而加強橋梁整體結構的橫向聯(lián)系。

3.橋面板改造

受當時技術條件限制，剛架拱普遍采用小尺寸構件、低配筋率，如肋腋板少筋亦或是微彎板尺寸不足。長期荷載作用下，部分肋腋板底會出現(xiàn)各向異性裂縫，微彎板底部混凝土剝落、開裂，造成鋼筋外露且伴有銹蝕以及漏水等影響橋梁耐久性的病害。

對于上述病害，一般采用碳纖維板（布）來處理肋腋板的底部裂縫，利用垂直裂縫方向并按U形布置的單層碳纖維材料對微彎板開裂區(qū)域進行修補，其余短且稀疏的橋面板裂縫則可根據(jù)檢測結果合理采用灌縫或者封閉裂縫措施。此外，翻閱老橋設計、施工資料，針對性地對部分區(qū)域現(xiàn)澆層采取加鋪及增強內(nèi)部配筋措施以提高橋面板的承載能力。

4.橋面鋪裝層維修

剛架拱的凝土鋪裝層屬于組合斷面，直接承受車輛荷載，若橋面現(xiàn)澆層中節(jié)點負彎矩區(qū)處拉應力較大，橋面易產(chǎn)生橫向裂縫。在橫向聯(lián)系不足的耦合效應下，拱片處出現(xiàn)縱向結構裂縫的概率加大，鋪裝層甚至還會產(chǎn)生網(wǎng)裂、坑槽等問題，降低橋梁結構承載力，危及運營安全。

橋面鋪裝拆除后應參照既有最新規(guī)范要求來施工，確保鋪裝層厚度及配筋率，強化負彎矩區(qū)的縱向受力鋼筋，滿足現(xiàn)有道路等級的運營承載能力。

二、工程概況

某在役40m 鋼筋混凝土剛架拱橋?qū)?.5m（斷面布置：0.75m+7.0m+0.75m），采用4片主拱肋，矢跨比為 1/8，下部結構為片石混凝土 U 型橋臺，無通航要求。橋梁設計荷載為汽車-20 級、掛車-100。橋梁實圖如圖1所示。

圖1 橋梁實圖

三、典型病害及其因素分析

1.典型病害

拱肋實腹段、大節(jié)點施工接縫處存在局部開裂問題，部分拱肋四分之三位置處開裂，斜撐存在長短不一的橫向、豎向裂縫，部分主拱片、微彎板及橫系梁混凝土剝落、露筋且伴有銹蝕。橋面鋪裝上角落處有泥沙堆積，混凝土護欄存在不同程度的破損或者缺失。靜動載試驗表明，橋梁實測應變和撓度值均相較于理論計算值偏大，橋梁整體剛度比設計工況偏小。根據(jù)檢測報告，該橋荷載等級滿足原85規(guī)范設計要求，綜合技術狀況評定為3類橋。

2.原因分析

（1）設計因素

建立宣傳動員機制，明確宣傳內(nèi)容、宣傳方式、宣傳責任等具體內(nèi)容，做到第一時間宣傳防災避災預警信息和知識，第一時間對內(nèi)、對外宣傳報道，第一時間收集現(xiàn)場汛情、災情和抗災救災工作圖片資料。各單位對外宣傳和縣防指保持互通。

由于過去設計理念的差異性，剛架拱橋普遍存在小尺寸構件多、配筋率低的問題，橋梁結構承載力富裕較小，在外荷載和環(huán)境的作用下，結構安全存在較大隱患。由于大節(jié)點處構件依靠鋼板連接，混凝土為后澆筑，因而位于大節(jié)點附近的拱肋屬于剛架拱的薄弱區(qū)域，在新老混凝土收縮徐變不協(xié)調(diào)及整體剛度分布不均的多重因素下，導致該處變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生裂縫。

（2）施工因素

該剛架拱橋接縫處混凝土為后澆筑，由于時間差異導致現(xiàn)澆混凝土與預制部分的混凝土收縮變形不一致，該部位成為受力薄弱點，橋梁結構整體受力不均勻。長期的車輛反復荷載作用造成了新老混凝土結合面之間較大的附加應力，進而使得該節(jié)點接縫處產(chǎn)生裂縫。

從結構受力角度出發(fā)，考慮到斜撐為小偏心受壓構件，以受壓為主，因而判斷其裂縫為收縮性裂縫。

（3）管養(yǎng)因素

原結構采用的技術規(guī)范現(xiàn)今已被替換，長期受到現(xiàn)有迅猛交通量的作用，根據(jù)實際調(diào)查，該橋經(jīng)常存在重車通過等嚴重的超載現(xiàn)象，雨水通過破損嚴重的路面加快了橋梁構件受損腐蝕速度。

（4）其他因素

從現(xiàn)場情況看，該橋橋位兩側道路均為下坡，雨水及過往車輛將土體帶至橋面并在橋面角落堆積，降低了橋面排水的順暢性，容易造成橋面局部積水，長時間的車輛荷載作用加劇了瀝青混凝土的剝落。

四、加固方案

1.總體加固原則

2.加固措施

維修加固措施以提升剛架拱橋梁承載能力為主，并兼顧其他附屬性病害。在保證拱肋、橫梁等關鍵構件承載力的承載能力提高的同時，加強橋梁結構的橫向剛度?；谝陨峡紤]，提出以下維修加固方案：

（1）大節(jié)點、斜撐、拱腳、拱頂處粘貼鋼板加固。

（2）對于剛架拱片、橫系梁裂縫，小于0.15mm的裂縫，采用封閉裂縫的方式處理，寬度大于0.15mm的裂縫采用灌漿方式處理。

（3）針對微彎板、橫系梁等輕微破損處采用環(huán)氧聚合物砂漿進行修補。

（4）清理橋面泥沙，增設排水管，橋面加鋪瀝青混凝土。

（5）修復護欄破損、露筋部位，涂刷紅白相間漆。

（6）其他構件的維修養(yǎng)護。

五、加固效果評價

橋梁加固后的評價機制是判斷既定加固策略是否合理的關鍵，評價體系主要包含：加固目標及具體執(zhí)行過程、效果影響、經(jīng)濟效益、技術性等評價。其中加固后承載能力為關鍵指標，主要從加固后承載力富余度角度針對設計階段進行評價，荷載效應安全程度及承載能力加固效率可別按公式1、2考慮。

式中：R—表示抗力大??；

S—表示荷載效應。

式中：R0—表示加固前的結構承載力；

RN—表示加固后的結構承載力。

ER表示結構承載能力負荷率，在對橋梁進行加固時，若ER＞1，則表明加固效果良且結構承載力有所提升，可開展相關加固措施。

考慮到剛架拱結構主要力構件為弦桿跨中區(qū)域及拱腿，本文采用MIDAS建立有限元模型并提取結構加固前后拱肋承載力來評價加固處治方案效果。

表1 承載能力計算結果

根據(jù)表1并結合公式（2）可知加固后ER＞1，表明粘貼鋼板后的承載能力有所提升。因此，拱肋粘貼鋼板方案可行。

六、結語

（1）剛架拱橋有其獨特的時代鮮明特征，但由于其結構的缺陷性導致病害較多。本文從剛架拱構件的一般病害問題出發(fā)，著重從設計、施工及管養(yǎng)等方面闡釋了其典型病害的產(chǎn)生機理，并提出針對性的加固技術措施。

（2）結合某剛架拱橋病害給出了一般加固措施，并建立了加固效果的評價機制。驗證了采用粘貼鋼板對拱肋進行加固補強方案的可行性，該方案可推廣到其他類似橋梁病害的維修加固設計中。

（3）本文提出的剛架拱加固技術可供同類型在役剛架拱橋的維修改造參考。