某剛架拱橋加固設(shè)計及計算分析

谷國強(qiáng)

(上海同納建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司)

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某剛架拱橋加固設(shè)計及計算分析

谷國強(qiáng)

(上海同納建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司)

針對剛架拱橋所產(chǎn)生的病害，根據(jù)現(xiàn)狀橋梁的計算分析，提出了對該橋具有針對性的加固方案，通過加固后與加固前的橋梁結(jié)計算分析對比，結(jié)果表明該橋承載能力及安全系數(shù)明顯提高，該橋加固方案切實可行，并對其它剛架拱橋的加固設(shè)計、計算分析具有較好的借鑒作用。

拱橋；剛架拱；橋梁病害；加固設(shè)計；計算分析

1 工程概況

某剛架拱橋，修建于1988年，上部結(jié)構(gòu)為1孔鋼筋混凝土剛架拱橋，設(shè)計荷載為汽車-20級，掛車-100，人群300 kg/m2。橋梁全長59.12 m，全寬25.50 m，行車道寬19.00 m，兩側(cè)人行道凈寬各3.25 m。全橋共8片剛架拱片，凈跨徑40 m，凈矢高4 m，凈矢跨比1/10，主體結(jié)構(gòu)混凝土為300號，鋼筋為Ⅱ級。下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺，重力式擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋型布置見圖1。

圖1 橋型布置示意圖

2 橋梁病害

經(jīng)檢測，該橋存在以下病害。

(1)全橋微彎板多處滲水嚴(yán)重，混凝土脹裂、脫落、劣化嚴(yán)重，鋼筋銹蝕較嚴(yán)重。

(2)50%的拱片混凝土劣化面積已經(jīng)高達(dá)90%，部分主筋截面損失最多也高達(dá)80%。主拱腿及斜撐多處混凝土脹裂、脫落，鋼筋銹蝕嚴(yán)重，部分主筋截面損失高達(dá)70%。

(3)拱片拱頂位置處均出現(xiàn)較為嚴(yán)重的下?lián)?，其中最為?yán)重的已下?lián)?3.9 cm。經(jīng)檢測剛架拱片混凝土強(qiáng)度較低，鋼筋保護(hù)層厚度均勻性較差，混凝土碳化深度很大，深度最大處已高達(dá)33 mm，易造成鋼筋進(jìn)一步銹蝕。拱片未發(fā)現(xiàn)可見的受力性裂縫。

(4)橫系梁及橫隔板均未出現(xiàn)明顯的開裂等病害。

無論從外觀還是從材質(zhì)狀況看，本橋病害已經(jīng)非常嚴(yán)重，橋梁技術(shù)狀況綜合評定等級為D級，按照《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ 99-2003)規(guī)定，本橋為不合格狀態(tài)，已嚴(yán)重影響到橋梁的承載能力與耐久性能，應(yīng)及時加固處理。

3 加固設(shè)計分析

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及對照檢測報告，該橋的主要病害是耐久性方面的問題，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的受力性結(jié)構(gòu)裂縫。就目前的技術(shù)狀況而言，該橋只需要進(jìn)行表層維修。

按現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范對該橋進(jìn)行承載能力檢算后發(fā)現(xiàn)，剛架拱橋多處不能滿足規(guī)范要求，這一計算結(jié)論與實際技術(shù)狀況不符。經(jīng)過深入分析，主要有下面兩個原因。

(1)該橋的實際車流量不大，且通行車輛主要是城市小型車輛，很少有大貨車，實際汽車荷載與汽車-20級(約相當(dāng)于城-B級)有相當(dāng)?shù)木嚯x。

(2)該橋墩臺采用了體量較大的重力式墩臺，且地質(zhì)條件較好，由于基底摩擦力及臺后土壓力的平衡，該橋未發(fā)生墩臺水平位移。

按照計算，汽車荷載及基礎(chǔ)水平位移造成的彎矩在控制截面的彎矩中占有最高比例，但汽車荷載實際不大，基礎(chǔ)位移未發(fā)生明顯位移，所以該橋的實際狀況比理論計算要好。

該橋所在道路為城市次干道，設(shè)計汽車荷載不應(yīng)低于城-B級，若不對該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，則必須實施限載才能確保將來的安全，這不利于該橋應(yīng)有功能的發(fā)揮，也給城市管理增加了難度?？紤]到將來城市的發(fā)展需要及結(jié)構(gòu)所應(yīng)有的安全儲備，決定對該橋進(jìn)行耐久性維修的同時進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，以使之滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，繼續(xù)正常服役。

4 剛架拱橋加固方案

該橋主要是對拱片拱腳采用增大截面法加固，對拱片其它部位及弦桿采用了粘貼鋼板加固法。具體加固方案如下：

(1)拱腿加固

拱腿根部處于干濕交替環(huán)境，目前該部位的劣化程度明顯高于其它部位，考慮到加固后的耐久性問題，選擇增大截面加固法。加固厚度按構(gòu)造要求的較小值控制，已可滿足結(jié)構(gòu)受力需要，最終選擇底面、側(cè)面三面圍套各10 cm的方式。因加厚尺寸較小，振搗較困難，故采用了自密實混凝土。沿拱腿縱向的加固范圍除考慮結(jié)構(gòu)受力的需要外，也兼顧滿足新增混凝土范圍超出河道較高水位的要求，以改善該部位的耐久性。

(2)拱片實腹段及弦桿加固

拱片實腹段及弦桿主要是受彎承載力不足，采用較為簡便的粘鋼加固法，根據(jù)受力需要，弦桿采用寬250 mm厚5 mm的鋼板，拱片采用寬300 mm厚8 mm的鋼板，并在跨中拱片的兩側(cè)面加貼了一段寬150 mm厚8 mm的鋼板。為提高粘鋼加固對于汽車動力荷載的適應(yīng)性，設(shè)置了錨栓對粘結(jié)鋼板予以錨固。

(3)混凝土結(jié)構(gòu)表層缺陷處理

本橋除結(jié)構(gòu)加固外還有大量的表層缺陷維修工作，包括對有缺陷或缺損的混凝土進(jìn)行鑿毛、鋼筋除銹、混凝土表面清潔、采用修補(bǔ)料進(jìn)行修補(bǔ)等。

5 加固前后剛架拱橋檢算與結(jié)果對比

5.1 計算模型

剛架拱橋采用橋梁博士V3.3建立平面桿系模型。

加固前模型：剛架拱橋計算根據(jù)荷載橫向分布取單拱片進(jìn)行建模計算，汽車荷載橫向分布系數(shù)按彈性支承連續(xù)梁法取值；計算模型考慮了橋梁的施工過程：(1)先支架架設(shè)預(yù)制構(gòu)件；(2)澆筑濕接頭形成拱片，拱片各節(jié)點為剛接；(3)安裝微彎板并澆筑現(xiàn)澆橋面板；(4)施加二期恒載，并將拱腿設(shè)為固接。

加固后的計算模型與加固前類似，在加固前的計算模型上增加加固信息而得：將粘鋼加固的鋼板換算為等面積的HRB335鋼筋以模擬粘鋼加固，用橋梁博士的附加截面功能來模擬拱腳的增大截面加固。

(1)原結(jié)構(gòu)設(shè)計混凝土標(biāo)號均為300號，混凝土強(qiáng)度等級按C25考慮。拱腿增大截面新增混凝土采用C30混凝土。

(2)原結(jié)構(gòu)采用鋼筋為一級和二級鋼筋，分別按現(xiàn)行的R235級和HRB335鋼筋考慮。拱腿增大截面新增縱向受力鋼筋采用HRB335鋼筋。

(3)粘鋼均采用Q345d鋼板。

(4)設(shè)計荷載等級：汽車荷載，城-B級；人群荷載，3.5 kN/m2。

其它荷載按照《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》(CJJ 11-2011)取值。

5.2 加固前、后計算結(jié)果對比

加固前、后剛架拱片正截面承載能力驗算見圖2～圖6所示，加固前、后控制截面強(qiáng)度結(jié)果對比見表1，其中綠色為內(nèi)力，紅色為抗力。

圖2 加固前剛架拱最大彎矩組合內(nèi)力及對應(yīng)抗力(單位：kN)

圖3 加固后剛架拱最大彎矩組合內(nèi)力及對應(yīng)抗力(單位：kN)

圖4 加固前剛架拱最小彎矩組合內(nèi)力及對應(yīng)抗力(單位：kN)

由圖3～圖4及表1可見，最大正彎矩組合下強(qiáng)度不足的部位是：(1)拱頂較大范圍內(nèi)，安全系數(shù)為0.66；(2)邊弦桿和中弦桿下緣鋼筋截斷處局部位置；(3)拱腿上端局部位置。加固后控制截面安全系數(shù)全部大于1.0，符合城-B級荷載要求，加固效果明顯。

圖5 加固后剛架拱最小彎矩組合內(nèi)力及對應(yīng)抗力(單位：kN)

最不利工況控制截面加固前加固后荷載效應(yīng)/kN抗力效應(yīng)/kN安全系數(shù)荷載效應(yīng)/kN抗力效應(yīng)/kN安全系數(shù)最大彎矩組合內(nèi)力及抗力拱頂311820540．66304434421．13拱腿拱腳224729561．32226555522．45拱腿上端176716430．93192419581．02邊弦桿跨中6294640．746717571．13中弦桿跨中9727140．7387810211．16最小彎矩組合內(nèi)力及抗力拱腿拱腳189210530．56199821091．06拱腿上端230021420．93229429911．30

由圖5～圖6及表1可見，最小彎矩(最大負(fù)彎矩)組合下強(qiáng)度不足的部位是：(1)拱腳較大范圍內(nèi)，安全系數(shù)為0.56；(2)拱腿上端局部位置。加固后控制截面安全系數(shù)明顯提高，且全部大于1.0，符合城-B級荷載要求，加固效果明顯。

加固前、后剛架拱片裂縫寬度驗算見圖3～圖7所示，加固前、后控制截面裂縫寬度驗算結(jié)果對比見表2所示。

圖6 加固前剛架拱裂縫寬度(綠色為下緣紅色為上緣，單位：mm)

圖7 加固后剛架拱裂縫寬度(綠色為下緣紅色為上緣，單位：mm)

控制截面加固前加固后縫寬/mm限值/mm是否滿足要求縫寬/mm限值/mm是否滿足要求拱頂0．19是0．10是拱腿拱腳0．26否0．10是拱腿上端0．000．2是0．040．2是邊弦桿跨中0．25否0．16是中弦桿跨中0．25否0．15是

由圖7～圖8及表2可見，弦桿及實腹段下緣裂縫寬度較大，局部區(qū)段已不能滿足規(guī)范要求。拱腳局部區(qū)段裂縫寬度不滿足規(guī)范要求。加固后控制截面裂縫寬度均小于限值，滿足城-B級荷載要求。

6 結(jié) 論

根據(jù)該剛架拱橋的病害及分析，提出了對本橋病害有針對性的加固方案。通過對加固前、后的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析對比，計算結(jié)果表明該橋承載能力及安全系數(shù)明顯提高，該加固方案是可行的，能夠有效解決該類橋梁承載能力不足的問題，可為其它剛架拱橋的加固、計算提供參考。

[1] 公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范(JTG/T J22-2008)[S].14-35.

[2] 康恒興.彈性支承連續(xù)梁法計算剛架拱橋橫向分布系數(shù)[J].山西建筑,2008,(21):289-290.

[3] 城市橋梁設(shè)計規(guī)范(CJJ 11-2011)[S].30-31.

2015-04-18

谷國強(qiáng)(1983-)，男，山東嘉祥人，中級工程師，從事橋梁檢測、加固方面的研究。

U445.72

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1008-3383(2015)11-0098-02