鋼筋混凝土拱橋復合式加固及加固前后性能分析

方 彬， 程雪梅

(1.四川交大工程檢測咨詢有限公司，四川成都 610031； 2.金堂三溪中學，四川成都 610405)

在我國公路橋梁中，鋼筋混凝土拱橋在大、中跨徑橋梁中占比較大。從20世紀60年代開始，鋼筋混凝土拱橋得到飛速發展，然而隨著交通運輸量逐年增大，且加上自身材料性能退化和橋梁逐年病害的增加等因素，舊橋的承載能力已不能滿足當前交通的需要。據統計，截止到2015年底，我國在已建成的約77.92萬座公路橋梁中，有近76 483座橋梁被評定為危橋，約4成已使用20多年，技術等級低的帶病橋梁占3成。若對存在較嚴重病害甚至隱藏著巨大安全隱患的橋梁進行拆除、重建，不僅資金耗費巨大，而且時間上也不允許。為使橋梁達到或者適當延長其使年限，就需對舊橋進行全面的檢測，對其承載力進行科學的評估，并對存在缺陷和承載力不足的橋梁進行有效的維修加固措施。本文以一座鋼筋混凝土拱橋為例，介紹了鋼筋混凝土拱橋的承載能力評估方法以及復合式加固措施,并對該橋加固前后靜力和動力性能作對比分析,評價橋梁結構的加固效果[1]。

1 復合式加固方法

單一的加固方法主要有橋面補強層加固法、配筋和增大截面加固法、粘貼加固法、體外預應力加固法、改變結構受力體系加固法、減輕拱上結構重量加固法、拱圈增設套拱加固法。

復合式加固方法就是同時采用兩種或多種單一加固方法增強結構某一方面或幾方面的性能，提高結構的承載能力性能。進行綜合加固設計時，可以幾種方法并重，也可以一種方法為主，其他方法為輔，關鍵是利用各種加固方法的互補性，發揮協同作用優勢，達到安全、耐久、適用、環保、經濟和美觀的目的。

2 某座鋼筋混凝土拱橋的評定與加固措施

2.1 橋梁概況

某鋼筋混凝土拱橋位于四川省達州市渠縣境內，跨越渠江，連接廣安至大竹，該橋始建于1983年，1986年正式建成使用。橋跨組合為6×35m+6×85m+2×35m，35m橋跨為雙曲拱，85m橋跨為箱形板拱，橋梁全長865.4m。

35m橋跨為雙曲拱，矢跨比為1/5，拱軸系數2.814，85m鋼筋混凝土箱形板拱，矢跨比為1/6，拱軸系數2.920。

0#臺、3#墩、6#～12#墩、14#臺采用埋置式重力式墩臺，其余橋墩采用鋼筋混凝土樁基礎。

橋面橫向布置為雙向車道，橫向寬度為2.2m人行道+9m機動車道+2.2m，橋面機動車道鋪裝采用瀝青混凝土。

原橋設計荷載：汽車—20級，掛車—100，人群荷載：3.5kN/m2。橋梁結構立面布置圖如圖1所示。

圖1 橋梁結構立面布置(單位：cm)

2.2 橋梁加固前基于多種評定方法評定橋梁承載能力的評定結果

采用基于外觀檢測、理論計算與外觀檢測結果相結合以及荷載試驗的承載能力評估分析結果三種評定方法對橋梁加固前的承載能力進行評估分析[2]，結果表明：外觀檢測評定表明橋梁的技術狀況評定等級為4類[3]，理論計算評定表明橋梁結構拱腳附近計算截面結構安全儲備系數略大于1，安全儲備較低，荷載試驗評定表明橋梁結構處于彈性工作狀態，滿足設計荷載的正常使用要求，但安全儲備較低。

綜上所述，目前橋跨主體結構雖能滿足設計荷載的正常使用要求，但考慮橋跨結構自建成至檢測時28年來從未進行過大修，且受近些年地方經濟快速發展的影響，其交通量大，超載超限車輛多，不能滿足橋梁結構的長期安全使用要求，建議對全橋進行適當維修和加固[4]。

3 維修加固措施

根據既有橋梁結構自身特點、環境、經濟、交通等因素，為利用各種加固方法的互補性，發揮協同作用優勢，發揮結構加固的綜合效益，確定采用發揮協同工作的復合式加固法對該橋進行加固維修處治。具體采用“配筋加固和增大截面加固法”“減輕拱上結構重量加固法”與“粘貼鋼板加固法”相結合的復合式加固法。

按04版公路—Ⅱ級荷載等級標準進行維修加固處治，復合式維修加固處治主要措施如下：

配筋加固和增大截面加固法：85m跨主拱圈第一腹拱對應范圍拱腳段的拱背采用外包15cm厚C40鋼筋混凝土進行補強，增大截面高度，提高其承載能力安全富余；加固截面橫斷面圖見圖2。35m跨拱肋沿拱圈通長在每片拱肋下緣U型外包15cm厚C40 混凝土，在拱腳第一腹拱對應范圍的拱背外包15cm厚C40混凝土；在每道橫系梁或橫隔板下緣U型外包C40混凝土；加固截面橫斷面圖見圖3。

圖2 85m跨箱形板拱加固橫斷面(單位：cm)

圖3 35m跨雙曲拱加固橫斷面(單位：cm)

減輕拱上結構重量加固法：采用LC25輕質陶粒混凝土(密度等級1 800kg/m3)對全橋拱腔內填料進行換填。

粘貼鋼板加固法：在各腹拱下緣壓力注膠粘貼帶狀鋼板對其進行加固補強，主橋腹拱鋼板厚8mm，引橋腹拱鋼板厚6mm[5]。

上述維修加固措施有效的針對橋梁承載能力偏弱的特點，對主拱圈、腹拱圈等主要承重構件減輕拱上建筑的恒荷載，對其主要承重構件進行補強、加固，提高結構的承載能力。

4 橋梁加固前后受力性能對比分析

驗證橋梁加固設計的合理性和復合式加固改造效果，通過荷載試驗來驗證是一種必要有效的手段之一。靜載試驗測試內容包括應變和撓度測試，分別測試特征截面的應變和豎向位移。動載試驗測試內容包括自振特性及沖擊性能測試，自振特性包括橫豎向頻率值及對應的阻尼比，沖擊性能包括無障礙行車及有障礙行車沖擊系數[6-7]。加固前荷載試驗等級為“汽車—20級，掛車—100，人群荷載：3.5kN/m2”，加固后荷載試驗等級為“公路—Ⅱ級，人群荷載：3.5kN/m2”。

4.1 加固前后結構強度對比分析

主拱圈截面加固前后應變對比分析見表1，由表可知，橋跨結構主拱圈在加固后各實測應變均減小，減小幅度介于6.9 %～70.2 %之間。結果表明主拱圈、橋面系加固效果較好，加固結構對主拱受力起到了一定的分擔作用，復合式加固效果顯著[8-10]。

4.2 加固前后結構剛度對比分析

主拱圈截面加固前后撓度對比分析見表2，由表可知，主拱圈在加固后實測撓度減小幅度介于-43.0 %～363.0 %之間。結果表明主拱圈、橋面系的加固改變了結構的剛度分配，且加固前后加載車輛重量和位置均有變化，從整體上看，主拱圈、橋面系加固改造效果較好，增強了結構的整體剛度，復合式加固效果顯著。

4.3 加固前后自振特性對比分析

加固前后橋跨結構自振頻率和阻尼比的對比分析見表3，由表可知，橋跨結構加固后的豎向、橫向實測自振頻率比加固前均有所提高，提高幅度介于18.8 %～41.7 %之間。表明主拱圈、橋面系加固改造顯著提高了橋跨結構豎向、橫向剛度。

加固后橋跨結構的阻尼比普遍大于加固前的阻尼比，表明加固改造后增強了橋跨結構的耗能能力。

4.4 加固前后沖擊性能對比分析

加固前后橋跨結構沖擊性能的對比分析見表4、圖4、圖5，由圖表可知，加固后無障礙行車和有障礙行車沖擊系數比加固前均有所減小。表明橋面系的加固提高了橋面平順度，增強了結構整體性，提高了結構抗沖擊性能，減小了對結構的沖擊損傷作用。

表1 主拱圈截面加固前后應變對比分析

注：實測值比較以加固前數據為基準；差異項中應變增大為正，減小為負。

5 結論

(1)采用多種承載能力評估方法對橋梁結構的承載能力進行了科學、合理的評估分析，為下一步的維修加固提供了重要的技術依據。

(2)針對橋梁結構承載能力偏弱的特點，該橋采用了“配筋加固和增大截面加固法”“減輕拱上結構重量加固法”與“粘貼鋼板加固法”相結合的復合式加固法進行了加固，并對缺損的部位進行了維修補強。

(3)加固后的橋梁結構的靜載受力性能得到明顯提高，有效的提高橋梁結構的承載能力，表明了復合式加固對主拱圈受力起到了一定的分擔作用，復合式加固效果顯著。

(4)加固后橋梁結構的動力性能良好，各項測試指標均有明顯的改善，表明復合式加固增強了橋跨結構的耗能能力，增強了結構整體性，提高了結構抗沖擊性能，減小了對結構的沖擊損傷作用。

表2 主拱圈截面加固前后撓度對比分析

注：實測值比較以加固前數據為基準；差異項中應變增大為正，減小為負，以下同。

表3 加固前后橋跨結構自振頻率和阻尼比的對比分析

表4 加固前后橋跨結構沖擊性能的對比分析

圖4 加固前后橋跨結構無障礙行車沖擊系數對比

圖5 加固前后橋跨結構有障礙行車沖擊系數對比

(5) 該橋采用的復合式加固措施有效，方法得當，加固效果顯著，可供類似橋梁結構的加固參考、借鑒，可大范圍推廣運用。