剛架拱橋的加固設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

韋運(yùn)勇

摘要：橋梁維修加固是延長(zhǎng)橋梁壽命、節(jié)約建造成本的主要途徑。文章以廣西隆安縣右江大橋（4×60 m剛架拱橋）維修加固工程為例，基于橋梁病害現(xiàn)狀，結(jié)合剛架拱橋的受力特點(diǎn)對(duì)病害原因進(jìn)行分析探討，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)加固方案，可為類似橋梁工程維修加固提供參考。

關(guān)鍵詞：剛架拱橋;病害檢測(cè);維修加固;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

剛架拱橋是由雙曲拱橋結(jié)合斜腿剛構(gòu)特點(diǎn)發(fā)展演變的橋型，其受力特點(diǎn)兼有拱和剛架的特性[1]。剛架拱橋具有更多雙曲拱橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其實(shí)腹段拱肋和兩側(cè)弦桿、斜撐、拱腿互相剛結(jié)，形成整體結(jié)構(gòu)共同抵抗外部荷載，同時(shí)拱上建筑不是單純地傳遞荷載，而是參與結(jié)構(gòu)受力，使剛架拱片及其他構(gòu)件尺寸變小，具有施工簡(jiǎn)便、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)。但由于剛架拱橋構(gòu)件尺寸偏小，受力鋼筋配置一般較少，整體剛度較低。隨著經(jīng)濟(jì)飛躍發(fā)展，重型車輛交通量迅速增大，使橋梁超負(fù)荷運(yùn)行，多數(shù)剛架拱橋容易出現(xiàn)承載能力不足、病害發(fā)展快速等現(xiàn)象，影響了橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，存在較大安全隱患[2-4]。本文依托右江大橋，從病害分析、受力特點(diǎn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面，對(duì)剛架拱橋維修加固進(jìn)行探討，為類似橋梁加固提供建議。

1 橋梁概況

右江大橋于1999年建成通車，橋梁全長(zhǎng)292 m，全寬15.60 m，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-20級(jí)、掛-100。上部結(jié)構(gòu)為4×60 m剛架拱，凈矢跨比均為1/10，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用重力式片石混凝土橋墩，橋臺(tái)為組合式橋臺(tái)。每跨主拱由5條拱片組成，拱片由實(shí)腹段拱肋、兩側(cè)弦桿、斜撐、拱腿組成，橋面板由432塊微彎板和216塊懸臂板組成，橫向聯(lián)結(jié)系由32根Ⅰ型大橫系梁和432根Ⅱ型小橫系梁組成。右江大橋橋型布置如圖1所示。

2 橋梁病害

右江大橋橋梁技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為4類，已經(jīng)處于一個(gè)較差的狀態(tài)。剛架拱片、橫系梁、微彎板、橋臺(tái)、橋面鋪裝都存在比較嚴(yán)重的病害。右江大橋主要病害匯總?cè)绫?所示。

3 病害成因

3.1 剛架拱片裂縫、剝落

剛架拱片裂縫和剝落病害多位于拼接處，由于拼接處施工質(zhì)量較差，混凝土澆筑不密實(shí)、強(qiáng)度低，與預(yù)制構(gòu)件混凝土粘結(jié)較差。在車載等移動(dòng)荷載作用下，拼接處混凝土逐漸開裂、剝落。

3.2 橫系梁裂縫、剝落和麻面

右江大橋橫系梁混凝土裂縫、剝落和麻面等病害集中在拼接處。主要原因?yàn)椋浩唇犹幨┕べ|(zhì)量較差，澆筑不密實(shí)，多處麻面，拼接處構(gòu)造偏弱;同時(shí)橋跨較大，橫系梁相對(duì)較少，整體橫向剛度偏弱。在車載作用下，剛架拱片之間豎向位移不一致導(dǎo)致橫系梁受到剪力作用，微彎板對(duì)拱片產(chǎn)生推力，從而使橫系梁受到拉力作用，在剪力與拉力的共同作用下，橫系梁容易在構(gòu)造偏弱的拼接處產(chǎn)生開裂和混凝土剝落現(xiàn)象。

3.3 微彎板裂縫、剝落

微彎板原設(shè)計(jì)為搭設(shè)在拱片上，在車載等移動(dòng)荷載作用下，因橫向聯(lián)系偏弱，導(dǎo)致微彎板兩端發(fā)生水平或豎向位移，使得微彎板邊界位置發(fā)生了附加位移，在板中產(chǎn)生較大的應(yīng)力，同時(shí)微彎板最薄處僅6 cm厚，構(gòu)造偏弱，從而產(chǎn)生微彎板裂縫、剝落。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過外包混凝土增大剛架拱截面抗力，是剛架拱橋傳統(tǒng)的加固方法。但右江大橋剛架拱片截面面積較小，如圖2所示，拱腿截面尺寸為（95×35）cm，截面面積為0.33 m2，若外包一圈15 cm厚的混凝土，拱腿截面面積為125 cm×65 cm=0.81 m2，截面面積為原來的2.5倍，即采用外包混凝土的加固方式，消耗的混凝土與鋼筋用量是舊橋的1.5倍，材料耗能多，經(jīng)濟(jì)效果較差。同時(shí)，更值得注意和思考的是，外包混凝土強(qiáng)度未形成前，新增的1.5倍混凝土自重直接由原結(jié)構(gòu)承擔(dān)，剛架拱片有可能因負(fù)重過大而產(chǎn)生破壞，危及橋梁安全，施工安全隱患大。因此，改造設(shè)計(jì)主要采用粘貼鋼板加固剛架拱片的方式，各部位優(yōu)化設(shè)計(jì)如下。

（1）右江大橋拱頂實(shí)腹段為彎壓構(gòu)件，以受彎破壞為主，因此在跨中拱頂剛架拱片底面每邊各10 m范圍內(nèi)（正彎矩區(qū)）粘貼鋼板（見圖3），有效提高剛架拱片承載力，限制拱頂裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。

（2）外弦桿為受彎構(gòu)件，內(nèi)弦桿受彎的同時(shí)還受到一定的軸力作用，橋梁超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，外弦桿梁底更容易產(chǎn)生裂縫。因此，在弦桿梁底粘貼鋼板，提高承載力，限制裂縫發(fā)展。

（3）拱腿為矩形截面，直桿型，向下部結(jié)構(gòu)傳遞了大部分水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力，同時(shí)還傳遞較小的彎矩，屬于小-偏小受壓構(gòu)件，是上部結(jié)構(gòu)中極為重要的結(jié)構(gòu)。加固改造使橋梁恒載增加較大，拱腿承載能力需要有較大的提高，因此需要在拱腿上下兩面粘貼鋼板，鋼板可抗拉、抗壓，有效地提高拱腿承載能力;同時(shí)增設(shè)環(huán)箍，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

（4）斜撐為矩形截面，可以起到減小弦桿彎矩，分流到拱腿軸力的作用，也屬于小-偏小受壓構(gòu)件，主要加固方式與拱腿一致。

（5）大節(jié)點(diǎn)與小節(jié)點(diǎn)處均受到較大的負(fù)彎矩作用，且大節(jié)點(diǎn)處于拱腿與實(shí)腹段拼接處，小節(jié)點(diǎn)處于斜撐與弦桿拼接處，雖然拼接處有鋼筋加強(qiáng)，但其性能極易受到施工質(zhì)量的影響。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)右江大橋剛架拱片裂縫和混凝土剝落多位于大、小節(jié)點(diǎn)的拼接處附近，是由施工質(zhì)量較差所致。大節(jié)點(diǎn)采用U型鋼板固定鋼條的方式加固拼接處，小節(jié)點(diǎn)拼接處可采取延長(zhǎng)斜撐鋼板的方式加固。大、小節(jié)點(diǎn)兩側(cè)粘貼鋼板，以抵抗負(fù)彎矩。

（6）右江大橋橫系梁為矩形截面，將各個(gè)拱片連接成為一個(gè)整體，使各個(gè)拱片共同受力，并且增強(qiáng)其橫向穩(wěn)定性，限制拱片的側(cè)向位移。在結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較小時(shí)，或者微彎板、橋面鋪裝連接強(qiáng)度較差時(shí)，橫系梁會(huì)受到較大的拉力。根據(jù)橫系梁病害成因分析，采取增設(shè)鋼橫系梁的方式提高右江大橋的整體性和橫向剛度（見圖4）;同時(shí)在原混凝土橫系梁拼接處包裹碳纖維布，提高其抗拉能力并限制其裂縫發(fā)展。

（7）微彎板為拱形結(jié)構(gòu)，可采用粘貼輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維布的方式加固微彎板，同時(shí)限制裂縫的發(fā)展。該方式幾乎不增加自重，可有效減輕橋梁改造后的自重（見圖5）。

（8）利用Midas Cival有限元軟件，采用梁格法建模，建立空間有限元模型（見圖6），分析橋梁結(jié)構(gòu)的荷載橫向分布特性，對(duì)右江大橋進(jìn)行承載能力驗(yàn)算，以拱頂、拱腳、拱頂L/4（大節(jié)點(diǎn)）及3/8L弦桿正負(fù)彎矩區(qū)為控制截面。表2列出各驗(yàn)算截面的計(jì)算結(jié)果，可見右江大橋橋梁承載能力可滿足“公路-Ⅱ級(jí)”荷載等級(jí)要求。表3為粘貼鋼板法與增大截面法的加固方案比較，可見本文推薦的粘貼鋼板法可有效較少材料消耗量，節(jié)約加固成本，簡(jiǎn)化施工程序，縮短工期。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)剛架拱橋的構(gòu)件尺寸偏小、整體剛度低的缺點(diǎn)，剛架拱的加固設(shè)計(jì)要從其結(jié)構(gòu)原理深入分析，選擇最合理的加固方法，既要保證維修加固后橋梁承載力、耐久性和可靠度滿足規(guī)范要求，還需避免改造施工過程中橋梁構(gòu)件因負(fù)重過大而被破壞。本文基于實(shí)際工程對(duì)剛架拱橋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地解決了上述問題，可為同類項(xiàng)目的研究、設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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