三跨連續(xù)雙曲拱橋病害分析及加固方案探討

■李 琛

（三明市公路事業(yè)發(fā)展中心永安分中心，三明 365099）

雙曲拱橋由于施工簡(jiǎn)便、節(jié)省材料、造價(jià)低廉、橋型優(yōu)美等特點(diǎn)，于20 世紀(jì)60 年代在我國(guó)橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。 但該類拱橋的結(jié)構(gòu)整體性差、設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低、施工技術(shù)水平低，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，交通量和車輛載重的增加，既有橋梁長(zhǎng)期處于大交通量和超載的條件下運(yùn)行，許多雙曲拱橋出現(xiàn)較大病害，需要加固維修以提高其承載能力。 因此，相當(dāng)部分雙曲拱橋需要進(jìn)行加固處理，以滿足結(jié)構(gòu)承載力和正常使用要求。 本研究結(jié)合永安市西門中橋（左橋）加固工程實(shí)例闡述三跨連續(xù)雙曲拱橋病害情況、 病害原因分析及病害加固措施，為同類工程提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

永安市西門中橋（左橋）位于邵武（城關(guān)）-招銀港區(qū)S219 線，橋梁中心樁號(hào)為K230+554，且位于永安市區(qū)。 該橋建于1959 年，橋梁結(jié)構(gòu)為三跨連續(xù)鋼筋混凝土雙曲拱橋，跨徑組合為3×20 m，拱圈厚0.68 m，矢跨比為1/6，主拱圈由7 肋6 波組成，各片主拱肋寬均為28 cm。每跨每端各有2 個(gè)腹拱，腹拱跨徑為2 m，腹拱圈厚0.25 m，矢跨比為1/4。該橋橋長(zhǎng)87.1 m， 橋?qū)挒? m （車行道）+2.25 m（人行道），原設(shè)計(jì)荷載汽-13，拖-60。 橋型布置圖見圖1。

圖1 橋型布置圖

2 病害情況與成因分析

2.1 病害情況

2.1.1 主拱圈拱波病害

第1 跨有2 條縱向裂縫，1 條裂縫縫長(zhǎng)約15 m，縫寬0.1 mm，另1 條裂縫縫長(zhǎng)約8 m，縫寬0.03 mm；第2 跨有5 條縱向裂縫， 其中1 條貫穿整個(gè)拱圈，縫寬0.03 mm， 其余4 條裂縫長(zhǎng)分別為7.5 m、4 m、3 m、3 m，縫寬均為0.02 mm；第3 跨有3 條縱向裂縫，1 條裂縫縫長(zhǎng)約16 m，縫寬0.03 mm，1 條裂縫縫長(zhǎng)約9.5 m，縫寬0.03 mm，另1 條裂縫縫長(zhǎng)約2.5 m，縫寬0.02 mm。 拱波裂縫分布見圖2。

圖2 拱波裂縫分布

2.1.2 主拱圈拱肋病害

拱肋少數(shù)部位存在混凝土松散剝落、鋼筋外露銹蝕現(xiàn)象， 第2 跨跨中4#拱肋徑向裂縫2 條，1 條縫寬0.1 mm，縫長(zhǎng)10 cm；另外1 條縫寬0.03 mm，縫長(zhǎng)10 cm。

2.1.3 腹拱圈病害

12 個(gè)腹拱均出現(xiàn)縱向裂縫，有的腹拱2 條縱向裂縫，有的腹拱3 條縱向裂縫；裂縫均貫穿整個(gè)腹拱圈；最大縫寬20 mm。

2.2 病害成因分析

通過對(duì)病害的表象及特征的觀察[2]，對(duì)主要病害原因進(jìn)行分析。

2.2.1 主拱圈拱波裂縫出現(xiàn)的原因分析

拱波的裂縫大部分是縱向裂縫，縫寬小，但裂縫數(shù)量多，產(chǎn)生病害的原因是：一方面拱波的鋼筋網(wǎng)鋼筋間距過大，配筋偏少，在橋梁建設(shè)的脫模或起吊過程中控制不嚴(yán)都會(huì)造成拱波開裂； 另一方面，由于雙曲拱橋拱圈橫向聯(lián)系較弱，拱肋不均勻受力，造成各拱肋變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致雙曲拱橋接近拱頂處的拱波出現(xiàn)大量縱向裂縫；另外，橋臺(tái)沉降、車輛超載、混凝土的收縮徐變也可能導(dǎo)致拱波發(fā)生縱向開裂。

2.2.2 拱肋徑向縫出現(xiàn)的原因分析

拱肋徑向縫出現(xiàn)的主要原因有：（1）拱頂徑向縫產(chǎn)生在拱頂附近正彎矩較大的區(qū)段，往往是由于橋臺(tái)發(fā)生過大的水平位移，拱頂部位正彎矩大幅增加，拱肋的拉應(yīng)力超過極限拉應(yīng)力所致。 （2）拱肋混凝土標(biāo)號(hào)不高，截面配筋比較少，拱肋的抗開裂能力、承載力不高，因正彎矩作用導(dǎo)致拱肋下緣混凝土開裂。 （3）荷載橫向分布較差導(dǎo)致拱肋受力的不均勻，使個(gè)別拱肋受力過大。

2.2.3 腹拱圈開裂的原因分析

該雙曲拱橋的腹拱圈所用材料強(qiáng)度較低，且厚度較薄，同時(shí)結(jié)構(gòu)上采用雙鉸拱的形式,在活載作用下，主拱圈產(chǎn)生變形，腹拱圈由于兩側(cè)拱腳和各拱肋的變形不協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致腹拱圈因過大的附加內(nèi)力而產(chǎn)生裂縫。 其次，實(shí)腹式雙曲拱排水不通暢，導(dǎo)致腹拱損壞。

3 加固前橋梁承載能力評(píng)定

3.1 計(jì)算模型的建立及荷載組合

3.1.1 計(jì)算模型的建立

為充分考慮雙曲拱橋的空間作用和拱上建筑的影響，采用Midas Civil 軟件中的“梁格法”建立全橋有限元模型[3]。 計(jì)算采用的邊界約束條件是拱腳處固結(jié)，腹拱圈與橋臺(tái)前墻、橫墻之間鉸接。 本空腹式拱橋建立三跨主拱及虛擬橋面系，通過豎向傳力桿傳遞移動(dòng)荷載。 主拱圈按自重加載，拱上填料按照梯形荷載加載到主拱圈，防撞欄桿、橋面鋪裝按照均布荷載加載于虛擬橋面板上。 拱橋移動(dòng)荷載按照2 個(gè)車道加載， 施加于虛擬橋面板， 溫度升溫20℃，降溫20℃。 橋梁梁格模型見圖3，加固前實(shí)橋模型見圖4。全橋共計(jì)4 095 個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 827 個(gè)單元。

圖3 橋梁梁格模型

圖4 原橋加固前有限元模型

3.1.2 荷載組合

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）[4]第4.1.5 條：

式中：γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，γ0=1.0；

按《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D61-2005)[5]第4.0.4 條～第4.0.7 條規(guī)定取相應(yīng)的組合系數(shù)。 其中，對(duì)于永久作用效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)其對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力不利時(shí)，γ 恒=1.2，有利時(shí)，γ 恒=1.0。 荷載組合如下：

組合Ⅰ：1.2 恒載+1.4 汽車荷載+1.05 整體升溫（升溫20℃）

組合Ⅱ：1.2 恒載+1.4 汽車荷載+1.05 整體降溫（降溫20℃）

3.2 加固前橋梁承載能力評(píng)定

選取拱腳、L/4、拱頂截面作為控制截面，加固前主拱肋承載能力結(jié)果見表1， 所列結(jié)果中軸力以使單元受壓軸力為正，受拉為負(fù)；彎矩以使單元下緣受拉彎矩為正，上緣受拉為負(fù)。 依據(jù)主拱圈病害情況，確定承載力檢算系數(shù)Z1,對(duì)主拱圈容許承載力進(jìn)行一定折減。

表1 加固前橋梁承載能力評(píng)定結(jié)果

從表1 可見，拱腳位置軸力在荷載組合Ⅰ情況下已超過容許軸力，安全度僅有0.94，不滿足要求。加固前最不利荷載組合內(nèi)力值已臨近甚至個(gè)別已超過結(jié)構(gòu)的承載能力，說(shuō)明截面的承載能力已不滿足規(guī)范要求，需要對(duì)結(jié)構(gòu)采取加固措施。

4 維修加固方案

4.1 加固思路

最大限度地利用舊橋結(jié)構(gòu)， 加固方案力求經(jīng)濟(jì)、合理，結(jié)構(gòu)安全，施工方便。 加固的主要內(nèi)容包括：對(duì)拱波、拱肋、拱上建筑的裂縫和破損進(jìn)行修補(bǔ)，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性；采用增大截面法加固拱波，增加構(gòu)件受力面積，相應(yīng)地提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載力；對(duì)拱肋粘貼碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，提高拱肋的承載能力；對(duì)該橋的腹拱下套鋼筋混凝土，增大構(gòu)件的截面，以提高其承載能力。

4.2 加固措施

4.2.1 修補(bǔ)裂縫

當(dāng)裂縫寬度≥0.15 mm， 采用灌注混凝土裂縫修補(bǔ)膠液處理；當(dāng)裂縫寬度＜0.15 mm 時(shí)，采用表面涂刷環(huán)氧樹脂處理。 對(duì)該橋的裂縫采取有效的封閉處理措施， 增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的整體性及耐久性。

4.2.2 修補(bǔ)破損混凝土構(gòu)件

鑿除混凝土構(gòu)件中的缺損或露筋部位周圍松散的砼，并對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹處理，同時(shí)還要對(duì)混凝土修補(bǔ)部位進(jìn)行鑿毛處理，當(dāng)環(huán)氧膠液涂抹后還未凝固時(shí)，就應(yīng)當(dāng)及時(shí)地澆筑新的混凝土。

4.2.3 增大截面法加固拱波

增大截面法，加大了截面尺寸，對(duì)提高主拱圈的承載力、剛度及抗裂性能非常有效。 拱波增大截面法加固具體措施：全橋拱肋拱腳至離第1 根橫系梁50 cm 范圍內(nèi)全截面 （即拱波頂至拱肋下緣）全部填平，其余部分從拱波頂至橫系梁上緣填平。 加固拱波采用C40 微膨脹混凝土，混凝土中設(shè)置鋼筋網(wǎng)，且縱橫鋼筋與植入鋼筋采用點(diǎn)焊連接，拱腳設(shè)置16 mm 厚鋼板，主筋應(yīng)與拱腳鋼板焊接。 拱波加固配筋立面圖見圖5，拱波增大截面加固后見圖6。該方法要使加固截面與原結(jié)構(gòu)結(jié)合成為整體，提高雙曲拱橋的整體結(jié)構(gòu)性能。

圖5 拱波加固配筋立面圖

圖6 拱波增大截面加固后實(shí)景

4.2.4 拱肋粘貼碳纖維布

使用高性能粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼在拱肋的裂縫處或薄弱部位，使兩者共同受力，以提高原結(jié)構(gòu)的承載（抗彎、抗剪）能力，從而達(dá)到加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的。 具體施工步驟是：碳纖維布加固首先需要鑿掉疏松混凝土用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)，未鑿部分打磨用丙酮清洗，先涂粘著膠再涂底膠，然后粘貼碳纖維布，用專用滾子擠出氣泡， 然后粘貼第2 層碳纖維布。該方法基本不增加恒載及構(gòu)件截面尺寸，具有施工便捷、工效高等優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)于作業(yè)面要求很低、質(zhì)量易保證、耐腐蝕及耐久性能極佳，在橋梁改造中具有極大優(yōu)越性。

4.2.5 腹拱下套鋼筋混凝土

為保證新筑混凝土與原結(jié)構(gòu)的可靠結(jié)合，應(yīng)將腹拱圈周圍先鑿毛，清理干凈并噴水濕潤(rùn)，然后在腹拱圈底部、橋臺(tái)前墻及拱上橫墻種植鋼筋，并將鋼筋網(wǎng)與植筋綁扎焊接， 鋼筋網(wǎng)縱橫向間距為20 cm， 最后在腹拱圈下緣澆筑10 cm 厚C30 混凝土。1#、2#腹拱加固立面圖見圖7。其余腹拱加固方法均與1#、2#腹拱相同。

圖7 1#、2# 腹拱加固下游立面圖

5 橋梁加固效果分析

5.1 加固后橋梁承載力驗(yàn)算

本次加固后模型僅考慮主拱圈增大截面后的情況，加固后的模型中的約束、荷載與加固前模型一致，主拱圈增大截面加固后有限元模型見圖8，加固后主拱圈承載能力驗(yàn)算結(jié)果見表2。 對(duì)比表1 和表2 可知，主拱圈軸力安全度顯著提升，提升幅度見圖9，達(dá)到預(yù)期要求。 綜合而言，上述加固措施對(duì)改善雙曲拱橋的承載能力是合理且有效的。

圖9 加固前后拱肋軸力安全度對(duì)比

表2 加固后橋梁承載能力評(píng)定結(jié)果

圖8 主拱圈增大截面加固后有限元模型

5.2 實(shí)橋加固效果評(píng)價(jià)

通過對(duì)加固后的西門中橋進(jìn)行靜、 動(dòng)載試驗(yàn)，掌握結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載等級(jí)下的實(shí)際工作狀態(tài)及其控制截面的抗力效應(yīng)和橋梁特性。

5.2.1 靜載試驗(yàn)

該橋加固后，采用公路－Ⅱ級(jí)作為設(shè)計(jì)荷載，靜載試驗(yàn)采用試驗(yàn)載重車加載，使結(jié)構(gòu)主控截面或部位的內(nèi)力或應(yīng)力達(dá)到與設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的作用效應(yīng)等效， 并在試驗(yàn)過程中測(cè)試關(guān)鍵部位應(yīng)變及撓度，評(píng)定結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況和承載能力。

在各工況試驗(yàn)荷載作用下，各測(cè)試截面的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變測(cè)值與理論值變化規(guī)律基本一致，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.57～0.78，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）[6]中的規(guī)定。卸載后的最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?.78%，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/TJ21-01-2015）中不大于20%的規(guī)定。

在各工況試驗(yàn)荷載作用下，主要測(cè)試斷面測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.64～0.84，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/TJ21-01-2015）中的規(guī)定。 卸載后的最大相對(duì)殘余撓度為11.23%，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/TJ21-01-2015）中不大于20%的規(guī)定。

5.2.2 動(dòng)載試驗(yàn)

通過動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試測(cè)得，該橋加固后的自振頻率實(shí)測(cè)值為6.85 Hz， 大于其理論計(jì)算值5.35 Hz；且實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算振型均一致；說(shuō)明該橋加固后的結(jié)構(gòu)整體剛度滿足要求。 在跑車作用下，不同速度行駛時(shí)產(chǎn)生的沖擊系數(shù)結(jié)果均小于計(jì)算值，結(jié)構(gòu)行車性能較好。

綜上， 通過靜動(dòng)載試驗(yàn)表明該橋經(jīng)維修加固后，結(jié)構(gòu)剛度和橫向整體性得到較大提高，橋梁的實(shí)際承載力能滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求，維修加固效果較好。 加固后橋梁重新投入使用，運(yùn)行狀況良好，沒有出現(xiàn)新病害。

6 結(jié)語(yǔ)

永安市西門中橋（左橋）在役三跨連續(xù)雙曲拱橋的加固費(fèi)用為136.2580 萬(wàn)元， 若拆除舊橋后新建T 梁橋的費(fèi)用為684.52 萬(wàn)，采用該加固方案的工程造價(jià)僅為新建T 梁橋費(fèi)用的20%左右， 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)顯著。 該加固方案充分體現(xiàn)了安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀的原則，達(dá)到了預(yù)期的加固效果，提高了橋梁的承載能力，消除了隱患，同時(shí)保留了原橋的風(fēng)貌和雄姿。 實(shí)踐證明，正確地對(duì)雙曲拱橋病害進(jìn)行檢查和分析其病害成因， 有利于有針對(duì)性的對(duì)橋梁病害進(jìn)行維修加固， 對(duì)于保障交通安全有著重要意義。