某公路雙曲拱橋承載能力分析與加固技術研究

祝于紅　鄒政權

(1.浙江通衢交通建設監理咨詢有限公司　衢州　324000;　2.浙江金筑交通建設有限公司　杭州　310051)

某公路雙曲拱橋承載能力分析與加固技術研究

祝于紅1鄒政權2

(1.浙江通衢交通建設監理咨詢有限公司衢州324000;2.浙江金筑交通建設有限公司杭州310051)

摘要針對使用多年且以重載交通為主的雙曲拱橋，通過現場調查分析其主要病害，并采用有限元法驗算橋梁承載能力。對承載能力不足的主拱圈截面，分別采用加大截面、粘貼鋼板、加大橫系梁等方法進行了加固，在有效提升結構承載能力的同時，還提高了結構的耐久性，為延長橋梁的服役壽命提供了保障。通過靜動載試驗及加固后超過1年的觀察，橋梁運行狀況良好，證明了所提出的加固方法的可行性和有效性。

關鍵詞雙曲拱橋橋梁加固截面加厚粘鋼承載能力

雙曲拱橋具有結構美觀輕巧、 造價經濟、 施工方便等優點，在我國橋梁建設中得到了廣泛應用[1-2]。隨著交通量逐年增多，重載超載車輛嚴重，同時由于雙曲拱橋建成時間較長，結構承載力下降，維修不到位等原因，造成雙曲拱橋病害日益突出。本文以某雙曲拱橋為工程實例，通過MIDAS軟件對主拱圈承載能力進行分析，探討不同的主拱加固方法的應用情況，評價雙曲拱橋加固后所達到的實際效果。

1　工程概況

某單跨雙曲拱橋，于上世紀90年代初建成，設計荷載為汽車-15、掛車-80。橋梁全長39.2m，跨徑30m，矢高3.65m，橋面凈寬8.75m。主拱圈橫向采用5肋4波，兩側外懸半波，肋間為預制混凝土拱波。下部結構采用重力式橋臺，見圖1。該橋橋上通行為旅客以及貨車為主。交通量逐年增大，另外橋梁設計荷載等級偏低，雙曲拱橋結構整體較差，橋梁運營至今已頻繁出現病害，為了確保通行安全，需對橋梁采取加固措施。

圖1　橋型布置圖(單位：mm)

2　病害分析

橋梁經過現場檢測，主要病害有：混凝土主拱圈、橫系梁受過往船只刮擦、撞損較嚴重，拱圈底面混凝土大面積剝離、露筋。拱上立柱以及立柱橫梁的鋼筋銹蝕嚴重，導致混凝土保護層剝落。拱波頂部出現縱向貫通裂縫，裂縫寬度0.2～0.5mm。橋面混凝土鋪裝層剝離、坑槽普遍，并有貫通橫縫。雙曲拱橋側墻發生鼓肚，排水不暢，填土內聚積水從橋面裂縫直接滲漏至拱圈上。

2　橋梁承載能力評定

2.1計算模型及荷載組合

(1) 計算模型。采用MIDAS軟件對主拱圈

參考文獻

[1]郭良友.繩索的振動特性及斜拉索的索力測量[J].橋梁建設，1995(1):61-64.

[2]朱金國，陳宜民.頻率法測定拉索索力[J].安徽建筑，2003(2):84-85.

[3]宋一凡，賀栓海.固端剛性拉索索力分析能量法[J].西安公路交通大學學報，2001,21(1):55-57.

[4]R·克拉夫.結構動力學[M]. 2版：修訂版.北京：高等教育出版社，2006.

建立空間梁單元模型，見圖2，不計拱上建筑與主拱肋的聯合作用，將其自重以外荷載的方式施加在模型上。以空間梁格法來模擬實橋結構，主拱圈的拱肋按梁單元建模，拱波和拱板模擬成同一種板單元，兩者通過剛性約束與拱肋連接，拱肋拱腳處固結，拱波的拱腳處采用鉸接，主拱圈劃分為 801個節點，708個單元。橋梁幾何參數、力學參數根據該橋梁實測數據確定。

為便于采用單片拱肋進行計算，利用單位荷載在各截面橫向移動并計算相應位移的方法計算相應截面的橫向位移影響線，以此計算各片拱肋的荷載橫向分布系數，在此基礎上可方便計算各片拱肋的內力值。為使計算模型盡可能真實地反映橋梁的現狀，根據現場檢測結果，依照《公路橋梁承載能力評定規程》(JTG/TJ21-2011)的規定，采用下式對主拱圈承載能力進行評定。

(1)

圖2橋梁計算有限元模型

式中 ：γ0為結構重要性系數；fd為材料強度設計值；αd為結構幾何尺寸；Z1為承載能力檢算系數；ξc為截面折減系數。

(2) 荷載組合。依據原橋設計規范，考慮以下2種荷載組合：

組合I。恒載+汽車+溫差(整體升、降溫20 ℃)。

組合II。恒載+掛車。

2.2加固前承載能力評定

加固前主拱肋承載能力檢算結果見表1。

表1　加固前主拱肋承載能力檢算結果

由表1可見，加固前主拱圈拱腳截面在荷載組合II作用下、跨中截面在荷載組合I和II作用下的最不利荷載組合內力值均已超過結構的承載能力，表明這2個截面的承載能力已不能滿足規范要求，需對相關構件采取加固措施。

3　維修加固方案

3.1加固思路

最大限度地利用舊橋結構，加固方案力求經濟、合理，結構安全，施工方便。加固的范圍主要是：對舊橋裂縫以及破損混凝土進行修補，補強主拱圈、加強橫系梁、提高結構整體剛度。通過拱肋粘貼鋼板和增大拱腳段截面，增加構件受力面積，相應地提高橋梁結構的承載力。同時解決既有構件因裂縫產生的鋼筋銹蝕問題，提高橋梁結構的耐久性。

3.2加固措施

加固措施考慮以增加盡可能小的恒載，爭取到盡可能大的承載能力。同時通過合理調整減載和加載的順序降低截面累計應力，最大限度地提高橋梁的承載能力。

(1) 主拱肋粘貼鋼板。主拱圈是雙曲拱的主要受力構件，也是本次加固的主要對象。為改善拱頂、拱腳的受力狀態，對全橋拱肋下緣及兩邊肋外側采用壓力注膠粘貼厚度8mm的Q235B鋼板。鋼板每隔0.4m采用全螺紋螺栓固定于主拱肋上。粘貼鋼板前應將原結構表面碳化層鑿除、打磨平整，并修補裂縫、修復破損[3]。加固后，在鋼板表面涂刷環氧富鋅漆做表面防護。粘貼鋼板加固方法不增加自重，可適用于要求不增加恒載效應的加固中。另外，這種方法不能增加主拱圈剛度，鋼板只能抵抗部分拉應力，從而減小或改善開裂狀態，不能改善結構受壓應力狀態。

(2) 加厚拱腳段截面。主拱圈從拱腳截面到第一根立柱橫梁段采用增大截面法進行加固，增大拱腳區段的截面剛度，改善拱腳拱頂2個控制截面的受力狀態，提高結構的承載能力。拱腳截面頂部加固厚度為20cm，立柱橫梁截面頂部加固厚度為10cm，之間直線漸變。混凝土采用C30微膨脹混凝土。混凝土內設置間距為10cm×10cm鋼筋網，縱向受力鋼筋植入拱座，且縱、橫鋼筋與錨固鋼筋采用點焊連接。拱腳截面加固見圖3。

圖3　拱腳截面加固圖(單位：cm)

(3) 增大橫系梁截面。增大截面法主要是通過增大構件的截面面積或配置鋼筋，以提高構件的強度、剛度、穩定性和構件的抗裂性能[4]。為提高主拱圈的整體受力性能，在橫系梁兩側各加寬10cm鋼筋混凝土截面，上至拱波。將拱肋與橫系梁連接處混凝土鑿開，露出拱肋主筋，將橫梁鋼筋與拱肋主筋焊接，再澆筑橫梁混凝土。由于構件截面較小且工作空間有限，為確保橫梁混凝土施工質量，采用自流平混凝土。橫系梁截面加固增大了斷面尺寸，增加了鋼筋，改善了受力條件。

(4) 修補裂縫。該橋拱波結構受損較為嚴重，出現多條縱向裂縫。拱波裂縫集中出現在拱頂附近及橫隔墻根部對應位置，對主拱圈的整體受力性能產生很大的影響。根據裂縫寬度大小采取不同的處理措施。對于裂縫寬度小于0.15mm時，采用聚合物水泥表面封閉法；對于裂縫寬度大于等于0.15mm時，采用灌注混凝土裂縫修補膠液封閉法[5]。該橋拱波裂縫進行封閉處治，采取灌漿法進行修補。灌漿的主要作用是封閉裂縫、增強結構或構件的整體性，防止混凝土開裂腐蝕鋼筋，起到一定的補強作用，恢復混凝土構件的整體性能，同時在拱波和腹拱底部粘貼兩層碳纖維布，以提高結構的抗裂性能。碳纖維布強度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固構件自重及截面尺寸，施工時不需要大型設備，在舊橋改造中具有極大的優越性。

(5) 恢復破損混凝土構件。對于全橋混凝土破損、鋼筋裸露的部位，將表層混凝土鑿除，對鋼筋除銹后，澆筑混凝土進行封閉。鋼筋斷裂的采用等強度鋼筋補強后方可澆筑混凝土。

(6) 更換橋面鋪裝。由于橋梁橋面破壞嚴重，出現橋面不平整、破損等病害，服務水平急需提升。首先鑿除所有原橋面鋪裝及實腹段填料，重新鋪設C40鋼纖維混凝土，橋面鋪裝鋼筋采用D8冷軋帶肋焊接鋼筋網。在橋梁兩側橋臺處增設一道異型鋼伸縮縫。

4　加固后橋梁承載能力評定

采取了上述加固措施后主拱圈的承載能力見表2。雙曲拱橋加固前后承載能力對比分析見圖4。

表2　加固后拱肋承載能力計算結果

圖4　雙曲拱橋加固前后承載能力對比分析圖

由圖4可知，加固后的主拱圈拱腳和跨中截面的承載能力得到了明顯提高，各截面的設計內力值均小于結構抗力值，且具有一定的安全儲備。其中拱腳處承載能力的提高幅度最大，拱腳IImin加固后承載能力提升了近4.4倍，表明加厚拱腳段截面加固措施對提高結構的承載能力是切實可行的。L/4和L/2處的承載能力也有1.5～3.5倍左右的提升。綜合而言，上述加固措施對改善雙曲拱橋的承載能力是合理且有效的。本橋在加固完成后進行了靜動載試驗，各項測試結果均滿足設計要求。橋梁重新投入運營至今已超過1年，結構運行狀況良好，未出現新的病害。

加固雙曲拱橋要注意以下方面

(1) 加固后的橋梁在日常荷載作用下，原結構以及新增入的結構各部分的力度、剛度和裂縫，應同時符合目前設計規范要求。

(2) 要提升橋梁的活載能力時，原本結構也應在持續恒載應力形態下操作。為此，原本結構的全部恒載和加固后增加的恒載，均由原構件承擔。活載由原結構和新增加的構件共同承擔。

(3) 采用截面增大法進行舊橋加固時，由于新舊結構的材料性質或混凝土之間的收縮不同，會引起結構內力的重新分布，在新舊材料或新舊混凝土的銜接面上出現較大拉應力，容易出現裂縫而影響到結構的整體性。因此，必要時要進行收縮力的驗算。為減小混凝土收縮的不利影響，應盡可能采用性能相近的材料。

5　結論

(1) 通過增大拱腳截面、拱底粘貼鋼板、加寬橫系梁、裂縫注漿等加固措施，修復橋梁現存病害，提高了主拱圈的承載能力及結構耐久性。靜動載試驗及恢復通車后觀察結果表明，加固效果良好。

(2) 根據雙曲拱橋的結構和受力特點，有針對性地采取加固措施，在有效提升承載能力的同時，盡可能小地增加結構自重及改變結構受力體系。

(3) 加固施工應遵循先減載再加固，最后恢復實腹段及橋面的順序，使加固部件與原構件共同承擔橋梁恒載。

[1]周湘君,陳小佳.雙曲拱橋上部結構加固方法綜述[J].公路交通技術，2005(3):61-65.

[2]胡軒.某公路雙曲拱橋加固方法分析[J].四川建材，2014,40(3):160-161.

[3]CECS319-2012 雙曲拱橋加固改造技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[4]肖航.采用增大截面法加固鋼筋混凝土雙曲拱橋的參數研究[D].四川：西華大學，2013.

[5]周志祥,賀鵬,趙燦暉.大跨度雙曲拱橋維修加固研究[J].重慶交通學院學報，2004(3)：1-4.

收稿日期：2015-07-03

BearingCapacityAnalysisandResearchonReinforcement
TechnologyofaDoubleCurvedArchBridge

Zhu Yuhong1，ZouZhengquan2

(1.ZhejiangAccessibleTransportationConstructionSupervisionConsultingCo.,Ldt.,Quzhou324000,China;

2.ZhejiangJinzhuTransportationConstructionCo.,Ltd.,Hangzhou310051,China)

Abstract：Aiming at the hyperbolic arch bridge with heavy traffic over the years, the main damages were analyzed by field investigation, and the bearing capacity of the bridge was checked by the finite element method.For the main arch ring section lacking of bearing capacity,we could use the method of increasing section, pasting steel plate and increasing cross beam to reinforce., These methods effectively enhanced the bearing capacity of the structure, and improved the durability of the structure, which can provide a guarantee to extend the bridge service life . Through the static and dynamic load test and the observation of the bridge over a year, the operation of the bridge is good,. The feasibility and effectiveness of the method proposed in this paper is proved.

Key words:hyperbolic arch bridge; bridge strengthening; cross section thickness; steel bearing capacity

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.007