剛架拱橋的加固設計優化研究

韋運勇

摘要：橋梁維修加固是延長橋梁壽命、節約建造成本的主要途徑。文章以廣西隆安縣右江大橋（4×60 m剛架拱橋）維修加固工程為例，基于橋梁病害現狀，結合剛架拱橋的受力特點對病害原因進行分析探討，有針對性地設計加固方案，可為類似橋梁工程維修加固提供參考。

關鍵詞：剛架拱橋;病害檢測;維修加固;優化設計

0 引言

剛架拱橋是由雙曲拱橋結合斜腿剛構特點發展演變的橋型，其受力特點兼有拱和剛架的特性[1]。剛架拱橋具有更多雙曲拱橋結構特點，其實腹段拱肋和兩側弦桿、斜撐、拱腿互相剛結，形成整體結構共同抵抗外部荷載，同時拱上建筑不是單純地傳遞荷載，而是參與結構受力，使剛架拱片及其他構件尺寸變小，具有施工簡便、節省材料等優點。但由于剛架拱橋構件尺寸偏小，受力鋼筋配置一般較少，整體剛度較低。隨著經濟飛躍發展，重型車輛交通量迅速增大，使橋梁超負荷運行，多數剛架拱橋容易出現承載能力不足、病害發展快速等現象，影響了橋梁結構穩定，存在較大安全隱患[2-4]。本文依托右江大橋，從病害分析、受力特點和優化設計等方面，對剛架拱橋維修加固進行探討，為類似橋梁加固提供建議。

1 橋梁概況

右江大橋于1999年建成通車，橋梁全長292 m，全寬15.60 m，設計荷載等級為汽車-20級、掛-100。上部結構為4×60 m剛架拱，凈矢跨比均為1/10，下部結構橋墩采用重力式片石混凝土橋墩，橋臺為組合式橋臺。每跨主拱由5條拱片組成，拱片由實腹段拱肋、兩側弦桿、斜撐、拱腿組成，橋面板由432塊微彎板和216塊懸臂板組成，橫向聯結系由32根Ⅰ型大橫系梁和432根Ⅱ型小橫系梁組成。右江大橋橋型布置如圖1所示。

2 橋梁病害

右江大橋橋梁技術狀況等級評定為4類，已經處于一個較差的狀態。剛架拱片、橫系梁、微彎板、橋臺、橋面鋪裝都存在比較嚴重的病害。右江大橋主要病害匯總如表1所示。

3 病害成因

3.1 剛架拱片裂縫、剝落

剛架拱片裂縫和剝落病害多位于拼接處，由于拼接處施工質量較差，混凝土澆筑不密實、強度低，與預制構件混凝土粘結較差。在車載等移動荷載作用下，拼接處混凝土逐漸開裂、剝落。

3.2 橫系梁裂縫、剝落和麻面

右江大橋橫系梁混凝土裂縫、剝落和麻面等病害集中在拼接處。主要原因為：拼接處施工質量較差，澆筑不密實，多處麻面，拼接處構造偏弱;同時橋跨較大，橫系梁相對較少，整體橫向剛度偏弱。在車載作用下，剛架拱片之間豎向位移不一致導致橫系梁受到剪力作用，微彎板對拱片產生推力，從而使橫系梁受到拉力作用，在剪力與拉力的共同作用下，橫系梁容易在構造偏弱的拼接處產生開裂和混凝土剝落現象。

3.3 微彎板裂縫、剝落

微彎板原設計為搭設在拱片上，在車載等移動荷載作用下，因橫向聯系偏弱，導致微彎板兩端發生水平或豎向位移，使得微彎板邊界位置發生了附加位移，在板中產生較大的應力，同時微彎板最薄處僅6 cm厚，構造偏弱，從而產生微彎板裂縫、剝落。

4 優化設計

通過外包混凝土增大剛架拱截面抗力，是剛架拱橋傳統的加固方法。但右江大橋剛架拱片截面面積較小，如圖2所示，拱腿截面尺寸為（95×35）cm，截面面積為0.33 m2，若外包一圈15 cm厚的混凝土，拱腿截面面積為125 cm×65 cm=0.81 m2，截面面積為原來的2.5倍，即采用外包混凝土的加固方式，消耗的混凝土與鋼筋用量是舊橋的1.5倍，材料耗能多，經濟效果較差。同時，更值得注意和思考的是，外包混凝土強度未形成前，新增的1.5倍混凝土自重直接由原結構承擔，剛架拱片有可能因負重過大而產生破壞，危及橋梁安全，施工安全隱患大。因此，改造設計主要采用粘貼鋼板加固剛架拱片的方式，各部位優化設計如下。

（1）右江大橋拱頂實腹段為彎壓構件，以受彎破壞為主，因此在跨中拱頂剛架拱片底面每邊各10 m范圍內（正彎矩區）粘貼鋼板（見圖3），有效提高剛架拱片承載力，限制拱頂裂縫的產生與發展。

（2）外弦桿為受彎構件，內弦桿受彎的同時還受到一定的軸力作用，橋梁超負荷運行時，外弦桿梁底更容易產生裂縫。因此，在弦桿梁底粘貼鋼板，提高承載力，限制裂縫發展。

（3）拱腿為矩形截面，直桿型，向下部結構傳遞了大部分水平應力和豎向應力，同時還傳遞較小的彎矩，屬于小-偏小受壓構件，是上部結構中極為重要的結構。加固改造使橋梁恒載增加較大，拱腿承載能力需要有較大的提高，因此需要在拱腿上下兩面粘貼鋼板，鋼板可抗拉、抗壓，有效地提高拱腿承載能力;同時增設環箍，使混凝土處于三向受壓狀態，提高混凝土的抗壓強度。

（4）斜撐為矩形截面，可以起到減小弦桿彎矩，分流到拱腿軸力的作用，也屬于小-偏小受壓構件，主要加固方式與拱腿一致。

（5）大節點與小節點處均受到較大的負彎矩作用，且大節點處于拱腿與實腹段拼接處，小節點處于斜撐與弦桿拼接處，雖然拼接處有鋼筋加強，但其性能極易受到施工質量的影響。檢測發現右江大橋剛架拱片裂縫和混凝土剝落多位于大、小節點的拼接處附近，是由施工質量較差所致。大節點采用U型鋼板固定鋼條的方式加固拼接處，小節點拼接處可采取延長斜撐鋼板的方式加固。大、小節點兩側粘貼鋼板，以抵抗負彎矩。

（6）右江大橋橫系梁為矩形截面，將各個拱片連接成為一個整體，使各個拱片共同受力，并且增強其橫向穩定性，限制拱片的側向位移。在結構側向剛度較小時，或者微彎板、橋面鋪裝連接強度較差時，橫系梁會受到較大的拉力。根據橫系梁病害成因分析，采取增設鋼橫系梁的方式提高右江大橋的整體性和橫向剛度（見圖4）;同時在原混凝土橫系梁拼接處包裹碳纖維布，提高其抗拉能力并限制其裂縫發展。

（7）微彎板為拱形結構，可采用粘貼輕質高強的碳纖維布的方式加固微彎板，同時限制裂縫的發展。該方式幾乎不增加自重，可有效減輕橋梁改造后的自重（見圖5）。

（8）利用Midas Cival有限元軟件，采用梁格法建模，建立空間有限元模型（見圖6），分析橋梁結構的荷載橫向分布特性，對右江大橋進行承載能力驗算，以拱頂、拱腳、拱頂L/4（大節點）及3/8L弦桿正負彎矩區為控制截面。表2列出各驗算截面的計算結果，可見右江大橋橋梁承載能力可滿足“公路-Ⅱ級”荷載等級要求。表3為粘貼鋼板法與增大截面法的加固方案比較，可見本文推薦的粘貼鋼板法可有效較少材料消耗量，節約加固成本，簡化施工程序，縮短工期。

5 結語

針對剛架拱橋的構件尺寸偏小、整體剛度低的缺點，剛架拱的加固設計要從其結構原理深入分析，選擇最合理的加固方法，既要保證維修加固后橋梁承載力、耐久性和可靠度滿足規范要求，還需避免改造施工過程中橋梁構件因負重過大而被破壞。本文基于實際工程對剛架拱橋進行優化設計，有效地解決了上述問題，可為同類項目的研究、設計提供參考。

參考文獻：

[1]謝慶銘.鋼筋混凝土剛架拱橋加固方法研究[D].南寧：廣西大學，2019.

[2]劉洪瑞，周俊鋒.超載作用下剛架拱橋的病害分析與防治[J].廣東工業大學學報，2003（2）：42-45.

[3]吳鑒軍，莫 寧，徐永峰.剛架拱橋的病害原因與加固分析[J].廣西大學學報（自然科學版），2008，33（S1）：61-63.

[4]齊文廷.混凝土剛架拱橋病害及加固措施淺析[J].北方交通，2013（3）：79-82.