老舊肋拱橋主拱肋承載能力分析與加固設(shè)計(jì)

錢 好

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430052）

1 引言

鋼筋混凝土肋拱橋作為國(guó)內(nèi)90年代廣泛應(yīng)用的橋梁結(jié)構(gòu)形式，除主要結(jié)構(gòu)部件外往往大量運(yùn)用砂石填料和漿砌片石、塊石等工程材料，具有造價(jià)低、材料省、施工工藝易掌握、橋型美觀、跨徑適應(yīng)性大等優(yōu)點(diǎn)。但原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)較低，公路超載超限服役、年久失修等造成拱肋結(jié)構(gòu)材料性能劣化和實(shí)際承載能力不足等問(wèn)題較為嚴(yán)峻。按原荷載等級(jí)和設(shè)計(jì)理論建造的既有肋拱橋，能否提高使用等級(jí)[1]，與既有橋梁承載能力評(píng)價(jià)和加固措施的選用等直接相關(guān)。祝于紅等[2]從某重載雙曲拱橋病害調(diào)查和承載能力分析入手，對(duì)提出的拱肋截面增大、橫系梁加大和鋼板粘貼的加固方案，并對(duì)其進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)以驗(yàn)證其加固有效性；夏學(xué)鋒等[3]對(duì)某組合式拱橋進(jìn)行了不阻斷交通條件下的改造和加固研究；林鳴等[4]通過(guò)橋梁外觀檢查和荷載試驗(yàn)等方式分析某舊雙曲拱橋承載能力，討論此類拱橋承載能力評(píng)定的技術(shù)誤區(qū)。

目前，針對(duì)既有肋拱橋肋材料劣化和截面性能削弱的承載能力評(píng)估工程案例不多，加固技術(shù)研究多集中在拱肋截面加固，對(duì)橋梁整體改造加固的案例較少。既有老舊肋拱橋的承載能力評(píng)估往往因年代久遠(yuǎn)缺失必要的設(shè)計(jì)及養(yǎng)護(hù)資料，依賴現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)信息的還原，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確全面性對(duì)于結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析和加固改造設(shè)計(jì)的深度影響很大。

文章依托某公路老舊肋拱橋檢測(cè)、承載能力分析和全橋改造加固設(shè)計(jì)，針對(duì)其材料劣化和拱肋截面嚴(yán)重削弱的問(wèn)題，進(jìn)行檢測(cè)與承載能力評(píng)估，并提出經(jīng)濟(jì)適用的加固改造設(shè)計(jì)方案，以期為類似老舊肋拱橋加固改造工程提供借鑒作用。

2 工程概況

某五跨空腹式鋼筋混凝土肋拱橋跨徑組合為5 m×27 m，其中第1～2跨為跨中鉸接拱，第3～5跨為無(wú)鉸拱。橋面寬為凈6.0 m+（2×1）m（人行道）。各跨主拱圈由6片拱肋組成，7道橫系梁及預(yù)制蓋板構(gòu)成，拱上結(jié)構(gòu)由拱上側(cè)墻、腹拱及拱上填料等組成，3#孔設(shè)置7個(gè)腹拱，其余各孔設(shè)置6個(gè)腹拱。下部結(jié)構(gòu)為漿砌片石墩、重力式臺(tái)及擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面鋪裝層鉆芯顯示為13 cm厚水泥混凝土鋪裝層。原設(shè)計(jì)荷載為汽車-15級(jí)、掛車-80級(jí)，雙向兩車道，限速40 km/h 通行。

對(duì)該肋拱橋常規(guī)檢查中發(fā)現(xiàn)主拱圈拱肋出現(xiàn)多處銹脹露筋、蜂窩麻面，部分鋼筋銹蝕斷裂，腹板和拱腳局部出現(xiàn)裂縫，擬對(duì)橋梁進(jìn)行加固改造。為確定既有橋梁結(jié)構(gòu)能否利用或其病害及隱患經(jīng)處置后能否滿足后續(xù)使用功能，通過(guò)橋梁檢測(cè)評(píng)估其橋梁技術(shù)狀況，確定各結(jié)構(gòu)損傷程度及病害產(chǎn)生原因，繼而對(duì)主拱肋承載能力進(jìn)行檢算，并評(píng)價(jià)其利用價(jià)值，再針對(duì)性地進(jìn)行病害維修加固，以恢復(fù)其主拱肋結(jié)構(gòu)承載能力。

3 橋梁檢測(cè)

3.1 檢測(cè)重點(diǎn)

肋拱橋因建設(shè)年代久遠(yuǎn)導(dǎo)致施工圖紙缺失，檢測(cè)工作除常規(guī)病害調(diào)查外，需重點(diǎn)對(duì)橋梁恒載變異狀況進(jìn)行調(diào)查，包括材料強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)形式、拱肋軸線線形、截面尺寸、截面配筋及橋面鋪裝層厚度等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的檢測(cè)，作為承載能力檢算的計(jì)算依據(jù)。

一般而言，肋拱橋的破壞往往與關(guān)鍵截面的抗彎和抗剪承載能力不足直接相關(guān)[5]，而此類拱橋的荷載作用效應(yīng)與主拱肋實(shí)際軸線線形緊密相關(guān)，不合理拱軸線形往往不利于主拱肋承壓特性的有效發(fā)揮。再者，此類肋拱橋原設(shè)計(jì)的拱上結(jié)構(gòu)及填料、鋪裝層等恒載的作用對(duì)主拱肋受力特性影響很大，結(jié)構(gòu)計(jì)算中需要準(zhǔn)確模擬恒載的實(shí)際大小和分布情況，改造加固設(shè)計(jì)中也要盡量減少新增荷載。因此，檢測(cè)中重點(diǎn)對(duì)拱肋軸線線形、鋪裝層厚度等參數(shù)進(jìn)行了精確復(fù)測(cè)，以對(duì)主拱肋準(zhǔn)確建模并進(jìn)行承載能力檢算。

3.2 外觀檢查

根據(jù)橋梁現(xiàn)場(chǎng)踏勘和外觀病害檢查結(jié)果，該橋主要病害為：主拱圈拱腳出現(xiàn)多處嚴(yán)重銹脹露筋，部分鋼筋銹蝕斷裂，拱肋腹板和拱腳豎向裂縫，拱肋截面削弱嚴(yán)重，如圖1所示。該肋拱橋因拱肋截面削弱嚴(yán)重，主拱圈評(píng)為4類部件，按照《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）中主要部件最差缺損狀況評(píng)定方法，該橋橋梁綜合技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)為4類橋。

圖1 主拱肋典型病害圖

主拱肋拱腳處常年受河水侵蝕干濕交替，截面外側(cè)鋼筋銹脹甚至銹斷，截面底部混凝土剝落。拱腳截面及其他受彎拉應(yīng)力較大的截面，其截面損傷更為嚴(yán)重。主拱肋等主要承重構(gòu)件的拱腳和拱圈出現(xiàn)大量裂縫，主要原因是不斷增加的重載車輛的長(zhǎng)期作用和動(dòng)荷載的沖擊作用。

同時(shí)該橋還存在墩臺(tái)受水流侵蝕，局部砂漿脫落，漿砌片石外露；橋面混凝土鋪裝出現(xiàn)多條縱向、橫向裂縫，局部網(wǎng)裂、斷角等病害。且現(xiàn)狀單側(cè)人行道凈寬僅0.75 m，橋梁行人通行量較大，無(wú)法滿足上下班高峰期行人通行需求。

3.3 恒載變異狀況檢測(cè)

為準(zhǔn)確測(cè)出各跨肋拱軸線線形，采用高精度全站采集全部5跨拱肋軸線的三維坐標(biāo)，對(duì)各實(shí)測(cè)線形進(jìn)行擬合分析得到實(shí)測(cè)主拱肋軸線線形，拱肋矢高4.017 m，跨徑25.976 m，拱肋矢跨比為1∶6.5。

對(duì)混凝土橋面鋪裝層的鉆芯厚度測(cè)量值進(jìn)行分析得到其鋪裝層厚度為13.0 cm。拱上填料取樣判明主要為輕質(zhì)爐渣與填土混合填料。

同時(shí)，對(duì)主拱肋等主要構(gòu)件截面尺寸進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量，并對(duì)主拱肋內(nèi)部鋼筋布置情況進(jìn)行檢測(cè)，綜合參考此類肋拱橋設(shè)計(jì)圖集和有關(guān)文獻(xiàn)資料，得到主拱肋截面尺寸及配筋信息如圖2所示。

圖2 主拱肋截面及配筋圖（截面尺寸單位：cm）

主拱肋截面上緣、下緣鋼筋布置推斷為4Φ18（2層），間距12 cm；腹筋為Φ10（5層），間距為9～10 cm。

承載能力檢算系數(shù)的取定對(duì)于結(jié)構(gòu)自振頻率的權(quán)重較大，該參數(shù)主要反映結(jié)構(gòu)整體性能和受力體系的改變，評(píng)價(jià)橋梁工作狀況。同時(shí)，自振頻率也是橋梁上部結(jié)構(gòu)整體剛度性能的表征，檢測(cè)時(shí)為保證對(duì)主拱肋結(jié)構(gòu)的頻率識(shí)別，將傳感器直接安置于主拱肋結(jié)構(gòu)上進(jìn)行信號(hào)采集，而不同于常規(guī)放置于橋面跨中典型截面上。該橋自振頻率檢測(cè)結(jié)果表明主拱肋結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度性能較理論結(jié)構(gòu)剛度大，主拱肋整體性能良好。

3.4 結(jié)構(gòu)檢算說(shuō)明

根據(jù)規(guī)范《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）中第7.1.6條，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力檢算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度D≥3時(shí)，應(yīng)進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)評(píng)定計(jì)算。橋拱肋的承載能力檢算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度D=2.71，無(wú)需進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)檢算，僅對(duì)該肋拱橋在持久狀況下承載能力極限狀態(tài)和原橋設(shè)計(jì)狀態(tài)下的正常使用極限狀態(tài)檢算。承載能力極限狀態(tài)針對(duì)結(jié)構(gòu)的截面強(qiáng)度和穩(wěn)定性，正常使用極限狀態(tài)主要針對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度和抗裂性[6]。

采用Midas Civil橋梁有限元分析軟件建立空間梁格模型，拱肋、拱腳、橫向聯(lián)系、拱上立柱均采用梁?jiǎn)卧M，橋面板、腹拱、拱肋蓋板采用板單元，拱上填料按等效荷載以節(jié)點(diǎn)荷載和梁?jiǎn)卧奢d分別施加在腹拱和腹拱立墻上。模型中對(duì)跨中鉸接拱的拱腳處進(jìn)行固結(jié)約束，拱肋跨中鉸接采用釋放梁端彎矩約束進(jìn)行模擬；而無(wú)鉸拱只對(duì)其拱腳進(jìn)行固結(jié)約束；橋面板單元采用彈模很小的虛擬梁板模擬，只傳遞二期等豎向力荷載。計(jì)算模型主拱肋考慮5 cm拱肋蓋板厚度參與結(jié)構(gòu)受力。梁格法空間計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3 Midas梁格法空間計(jì)算模型局部圖

該肋拱橋主拱肋作為典型的大小偏心受壓構(gòu)件，需要按照《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》（JTJ 023—85）中第4.1.17條T形截面偏心受壓構(gòu)件驗(yàn)算其正截面強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，其基本組合采用JTJ 023—85規(guī)定的3種承載組合，正常使用極限狀態(tài)也包含3種使用組合。

損傷前原設(shè)計(jì)狀態(tài)承載能力計(jì)算結(jié)果需要根據(jù)檢測(cè)結(jié)果由規(guī)范JTG/T J21—2011求得結(jié)構(gòu)檢算系數(shù)并進(jìn)行承載能力修正，從而得到損傷后的實(shí)際承載能力。

3.5 結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果

承載能力荷載組合3：1.1恒載+1.3收縮徐變+1.3汽車+1.3人群+1.3整體降溫。以跨中鉸接拱為例，圖4和表1為承載能力組合3作用下主拱肋各特征截面的拱肋彎矩和軸力最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果。

表1 跨中鉸接拱承載能力組合3最大內(nèi)力結(jié)果表

圖4 承載能力組合3作用下彎矩和軸力圖

由規(guī)范公式通過(guò)受壓區(qū)高度值進(jìn)行大偏心和小偏心受力類型判別，根據(jù)偏心類型分別對(duì)最大軸力截面強(qiáng)度和最大彎矩截面強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，判斷軸力和彎矩承載能力是否滿足，見(jiàn)表2。

表2 承載能力荷載組合3最大彎矩截面強(qiáng)度驗(yàn)算

然后根據(jù)結(jié)構(gòu)檢算系數(shù)修正截面損傷修正后的強(qiáng)度，見(jiàn)表3。

表3 承載能力荷載組合3最大彎矩?fù)p傷修正截面強(qiáng)度驗(yàn)算

以跨中鉸接拱在承載能力荷載組合3作用下，最大彎矩工況的正截面抗彎承載能力和抗壓承載能力為例，對(duì)承載能力極限狀態(tài)檢算進(jìn)行了說(shuō)明。正常使用極限狀態(tài)僅對(duì)原橋設(shè)計(jì)狀態(tài)下拱肋正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行檢算。截面損傷前的正常使用極限狀態(tài)檢算包括變形和拱肋截面應(yīng)力驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求。

肋拱橋建設(shè)年代久遠(yuǎn)，施工圖紙缺失，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和檢測(cè)結(jié)果確定橋梁相關(guān)材料、結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸、配筋等信息。經(jīng)結(jié)構(gòu)檢算分析表明，以《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ 021—89）汽車-15級(jí)、掛車-80、人群荷載-3.0 kN/m2作為檢算活荷載，1～2跨跨中鉸接拱、3～5跨無(wú)鉸拱損傷前驗(yàn)算均滿足85規(guī)范要求；考慮損傷后拱腳處正截面強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求。

4 整體改造與加固

4.1 改造加固思路

整體改造與加固仍維持原設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)，以保證橋梁結(jié)構(gòu)安全和耐久性，加固思路如下：

（1）對(duì)橋面鋪裝進(jìn)行改造，增強(qiáng)主拱圈受力整體性，提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性；

（2）考慮損傷后拱腳處截面強(qiáng)度驗(yàn)算不滿足要求，對(duì)主拱肋拱腳范圍外包加固處理，并對(duì)墩臺(tái)外包加固，提高耐久性和安全性；

（3）對(duì)混凝土表面常規(guī)病害進(jìn)行常規(guī)耐久性修復(fù)和耐久性涂裝處理。

4.2 橋面改造

現(xiàn)狀單側(cè)人行道凈寬僅75 cm，該橋行人通行量較大，將原1 m人行道擴(kuò)寬為1.5 m，以滿足行人需求。人行道采用輕質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)，減少新增恒載。同時(shí)將原橋面鋪裝更換為25 cm厚整體化現(xiàn)澆層，增強(qiáng)主拱圈受力整體性。

4.3 拱肋外包加固

對(duì)拱腳部分主拱肋、墩臺(tái)外包鋼筋混凝土加固，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全性和耐久性，如圖5和圖6所示。

圖5 拱腳部分主拱肋、墩臺(tái)外包鋼筋混凝土加固布置圖

圖6 拱腳部分主拱肋外包鋼筋混凝土加固細(xì)部圖（單位：cm）

拱肋拱腳范圍外包鋼筋混凝土加固，外包C30自密實(shí)混凝土。截面兩側(cè)面均加厚15 cm，底部加厚30 cm，頂部外包混凝土范圍與拱肋蓋板底部齊平。外包混凝土主要受力鋼筋采用φ16的HRB400鋼筋，構(gòu)造筋和植筋采用φ12的HRB400鋼筋。

5 加固后承載能力評(píng)估

經(jīng)改造加固后的主拱圈承載能力見(jiàn)表4，以加固前、加固后承載能力荷載組合3最大彎矩截面強(qiáng)度的結(jié)果對(duì)比為例，主拱肋各特征截面的承載能力得到了明顯提高，加固后軸力和彎矩抗力值均大于設(shè)計(jì)內(nèi)力值，且具有一定安全儲(chǔ)備系數(shù)。拱腳處抗彎承載能力最大提高至加固前的2.5倍，表明外包鋼筋混凝土增大截面加固措施是合理有效的。

表4 加固前后承載能力荷載組合3最大彎矩截面強(qiáng)度驗(yàn)算

6 結(jié)論

（1）該肋拱橋主拱圈拱腳多處鋼筋嚴(yán)重銹蝕甚至斷裂，拱肋截面削弱嚴(yán)重致使主拱圈拱腳截面抗彎承載力不足。年久失修是主觀原因，拱肋截面底部流水侵蝕導(dǎo)致銹脹露筋嚴(yán)重，拱肋鋼筋混凝土材料劣化是客觀原因。承載能力檢算分析中應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)入材料劣化和截面損傷等不利因素對(duì)承載能力的削弱影響。

（2）由改造加固前后的承載能力檢算結(jié)論表明，肋拱橋采用“橋面改造+拱肋及墩臺(tái)外包加固+病害修補(bǔ)及涂裝層改造”的改造加固設(shè)計(jì)方案，可有效提高主拱圈承載能力，同時(shí)增強(qiáng)主拱圈受力整體性及結(jié)構(gòu)耐久性。

（3）對(duì)于此類老舊肋拱橋的改造加固工程應(yīng)注意對(duì)新增結(jié)構(gòu)恒載的控制，使主拱肋的原本彎壓受力體系保持合理狀態(tài)，同時(shí)為保證增大截面加固法對(duì)于新老結(jié)構(gòu)的受力協(xié)同性，應(yīng)選用性能相近的材料對(duì)加固范圍和加固效果進(jìn)行合理性評(píng)估。