荷塘西江大橋下承式體外系桿拱拱肋加固受力分析

顧長青

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司 廣州 510507)

江門市荷塘西江大橋為跨越西江的一座下承式體外系桿拱橋。主橋上部為3跨下承式體外系桿拱。拱肋的拱頂段采用單肢等寬箱形截面，拱腳段采用雙肢等寬工字形截面，拱肋由單肢變化為雙肢時，設計上增設了一個過渡段，即單肢變寬箱形截面。

該橋于1999年8月建成通車，至今已經經過了近16年的運營使用。特別是近年來，隨著江門市經濟的發展，過往車輛數量及重量不斷激增，橋梁各構件出現不同程度的損傷。經檢測，該橋技術狀況等級評定為四類[1]，需對大橋進行加固改造。

1 拱肋主要病害現狀

1) 拱腳面層混凝土出現大面積脫落破損，兩側拱肋近拱腳處上緣及側面均出現不同程度的混凝土開裂，下緣則出現邊角缺失、主筋外露并銹蝕現象。

2) 拱肋下緣普遍存在大面積的露筋銹蝕、混凝土破損、脹裂等現象。

2 拱肋結構計算分析

橋梁維修加固工程，其性質與新橋設計有很大不同，只有通過反復和大量的分析計算，進而了解結構目前的力學狀態，找到病害的根本原因，方能達到加固設計的目的，因此，拱肋實際結構的模擬是關鍵。

為了評價荷塘西江拱橋拱肋的運營現狀，選以下3個工況對該橋進行檢算：原結構復算、考慮損傷折減后的計算、提高荷載等級計算。

2.1 計算模型

全橋采用3D空間桿系模型，考慮引橋對主橋邊跨的受力影響，建立40 m+(3×110)m+50 m 5跨模型。全橋共20 305個節點、20 287個單元。見圖1。

圖1 結構受力分析計算模型

主橋共分為3孔，其中1號孔為潮連岸側，3號孔為荷塘岸側。

2.2 原結構復算

1) 按照原設計荷載原規范進行計算，選取3孔拱肋控制截面，按JTJ 023-1985 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(以下簡稱《85規范》)驗算。

根據《85規范》規定，拱橋橋跨大于70 m，沖擊系數取為0，其中L/4與L/8處截面負彎矩遠大于正彎矩，且拱肋截面頂板配筋較底板弱，因此，這2處截面由負彎矩控制，承載力驗算見表1。

由表1可見，拱肋截面均滿足承載力驗算要求，拱腳截面與拱頂截面安全儲備較小，其中2號拱腳安全系數為1.01，1號拱頂截面安全系數為1.01。

表1 原結構原荷載下拱肋主要截面承載力驗算表

2) 考慮沖擊系數后驗算。大量現有中下承式拱橋表明：中下承式拱橋動力放大系數較大，如車速為25 km/h時，新龍怮大橋動力系數為1.37；在三山西大橋跨中剎車時，動力系數為1.36。

故本橋擬在原荷載基礎上考慮1.2的汽車動力系數，此工況下拱肋承載力驗算見表2。

表2 考慮1.2動力系數后拱肋主要截面承載力驗算表

由表2可見，若考慮1.2的動力系數，拱腳截面與拱頂截面不能滿足承載力要求，其中3號拱拱腳安全系數為0.89，2號拱拱頂截面安全系數為0.78。其余截面的承載能力富余相較未計動力系數的工況均有所減弱。

2.3 考慮損傷情況下的結構計算

由于篇幅所限僅示出各參數取值結果，根據《公路橋梁承載能力檢測評定規則》[2]及橋梁檢測報告[3]確定拱肋驗算修正系數的方法，經計算確定拱肋承載力惡化狀況評定標度為E=1.74，環境條件取為干濕交替、不凍、無侵蝕性介質，據此評定值確定承載能力惡化系數ξe=0.035。經計算確定拱肋截面損傷狀況評定標度為2.3，截面折減系數ξc=0.945，鋼筋截面折減系數ξs=0.93。在考慮結構損傷的情況下，拱肋主要截面承載力驗算結果見表3。

表3 損傷后拱肋主要截面承載力驗算表

由表3可見，考慮損傷后，拱腳與拱頂截面承載力明顯不足，其中3號拱腳截面承載力安全系數為0.46，1號拱頂截面承載力安全系數為0.8，其余截面的承載能力富余也相對原荷載作用工況有所減弱。

2.4 提高荷載等級驗算(公路-I級)

提高荷載等級[4]后，計算結果見表4(軸力壓為負，彎矩下部受拉為正；拱腳及L/8跨徑處數值為單肢工型拱肋的數值，其他部分數值為單肢箱型拱肋的數值。

表4 提高荷載等級后拱肋主要截面承載力驗算表

由表4可見，提高荷載等級后，拱腳、拱頂及3L/8處的承載能力均不能滿足要求，其中3號拱拱腳截面承載力安全系數僅為0.5，2號拱拱頂截面承載力安全系數僅為0.6；另1號拱圈與2號拱圈L/4承載力也不滿足要求，說明提高荷載等級后拱肋承載能力大幅下降。

2.5 主拱拱肋受力分析

1) 該橋原設計荷載為汽車-20級，掛-100級，在組合I、組合II、組合III荷載作用包絡下，該橋的拱肋截面承載力均滿足要求，但拱腳截面與拱頂截面安全儲備小。

2) 《85規范》中對于此跨度拱橋是不考慮動力系數的，若考慮動力系數進行拱肋截面驗算，拱頂截面與拱腳截面均不滿足承載能力要求，相比原荷載設計工況下最不利拱肋截面安全系數下降22%。

3) 考慮損傷折減的情況，拱腳截面與拱頂截面不能滿足承載能力要求，相比原荷載設計工況下最不利拱肋截面安全系數下降54%。

4) 提高荷載等級后，拱腳截面、3L/8截面、拱頂截面及部分L/4截面不能滿足承載能力要求，其中最不利拱肋截面安全系數相對于原荷載設計工況下降50%。

結論：原設計拱腳截面、拱圈部分截面容易發生破壞，應加強養護維修加固。

3 加固設計方案

1) 對拱肋裂縫進行封閉，對拱肋底板下緣破損露筋部位進行鋼筋除銹后再對混凝土表面修補。

2) 對拱肋截面承載能力相對緊張的部位進行加固，以提高結構承載力，增強結構耐久性。結合受力特征，加固部位擬定為拱肋3L/8-拱頂下緣、L/4附近上緣及拱腳區段。

其中：①拱腳加固，拱腳由于與墩帽固結，為增強聯系，擬采取增大截面法進行加固，以便與墩帽聯結，提高整體性；②拱肋加固，粘貼鋼板加固。

4 拱肋加固計算

加固后橋梁驗算采用JTG/T J22-2008 《公路橋梁加固設計規范》[5]進行增大截面粘貼鋼板的截面加固驗算。

4.1 加固后拱圈內力計算

加固后拱圈內力計算情況見圖2、圖3。

圖2 承載能力驗算彎矩(組合I，II，III包絡)

圖3 正常使用驗算彎矩(組合I，II，III包絡)

4.2 加固后拱肋承載力計算

以2號拱圈3L/8處截面粘貼鋼板為計算算例,拱圈截面驗算結果匯總見表5。

表5 加固后拱肋主要截面承載力驗算表

由于L/8處拱肋截面未做加固處理，故表5中未列出該處截面驗算值。按上述措施加固，主拱肋加固后極限承載力基本滿足規范要求。

5 結語

城市橋梁中拱橋分布較為廣泛，特別是近年來，隨著各地經濟的發展，過往車輛數量及重量激增，由于使用年限較長，大部分構件均出現一定程度的損傷，其中拱腳、拱肋的病害尤為突出，考慮到新、舊規范對荷載(動力系數)要求有所不同，因此，在對該結構受力分析時應予以充分考慮，宜對新舊規范做受力分析對比，從而提出更有針對性的加固方案。采取增大截面法的加固方案對于提高拱肋承載力較為有效，在設計加固后拱橋除能滿足運營荷載的使用要求外，還有一定的安全儲備。