某剛架拱橋病害成因分析及加固方案設計

李思藝

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

剛架拱橋是一種以無支架施工技術為基礎而發展起來的新型橋梁，具有構件少、整體性好、剛度較大、自重較輕、造型美觀等優點[1-3]。然而，隨著交通基礎設施建設的快速發展，車流量日益增多，剛架拱橋出現了整體性較差、橫向穩定性不足等問題，橋梁微彎板、主拱肋等部位易于損壞，嚴重影響了橋梁的運營安全[4-7]。因此，研究剛架拱橋的維修加固具有重要的現實意義。

在剛架拱橋加固維修方面，陳建華等[8]對某剛架拱橋主要病害進行分析，提出了加固維修措施，并用Midas軟件進行結構驗算；齊秦等[9]采用增大截面法對某剛架拱橋進行加固，同時基于Midas Civil軟件建模進行應力分析，對比了不同施工順序對拱橋各部位的影響；孫全勝等[10]對某剛架拱橋進行靜動載試驗，針對檢測結果提出了加固設計方案，并采用有限元軟件進行承載能力驗算；秦軍等[11]采用鋼板-混凝土組合技術對某剛架拱橋進行應用研究分析，結果表明，采用的組合技術對剛架拱橋的加固效果較好。

本文通過分析某跨徑為45 m的剛架拱橋病害及結合現場實際施工情況，對剛架拱橋進行病害處治，提出對主拱圈、橫向聯系梁、橋墩基礎等部位采取技術加固措施的方案。

1 橋梁概況

某橋為跨徑3×45 m的上承式鋼筋混凝土剛架拱橋，其中跨矢跨比為1/10，橋梁橫向采用4片剛架拱布置。上部結構橋梁橫向總寬12.5 m，其中行車道寬9 m，兩側各設1.75 m寬的人行道。該橋混凝土原設計標號采用300，原設計荷載標準為汽-20級、掛-100，人群荷載為3.5 kN/m2。

圖1和圖2分別為該橋的半立面圖、跨中橫斷面圖。

圖1 橋梁半立面圖(cm)

圖2 橋梁跨中橫斷面圖(cm)

2 典型病害及分析

2.1 加固之前存在的典型病害

該橋經過17年的運營，由于設計資料缺失，加之近幾年經濟的發展，時有大型超載汽車通行，對橋梁的正常安全運營構成一定隱患。該橋加固之前存在的主要問題如下：

(1)主拱腿拱腳截面存在垂直于拱腿軸線的豎向裂縫；在橋的1/8跨次拱腿和腹孔段拱肋處存在豎向裂縫，最大裂縫寬度為0.38 mm，高度為70 cm；在1/4跨主拱肋和中腹孔梁區域，存在水平和豎向裂縫，部分貫穿至微彎板，最大裂縫寬度為0.32 mm，長170 cm；在橋1/3跨的跨中實腹段區域處存在部分豎向裂縫，最大裂縫寬為0.20～0.22 mm。

(2)兩側橋臺處出現明顯裂縫，部分區域的拱腳和梁肋處出現露筋，對橋梁的耐久性造成一定的影響。

(3)中跨南側橋墩墩底存在明顯的沖刷病害，最大沖刷深處達到60 cm左右。

(4)橋面東側線形在第1跨處起伏較明顯，另在中跨跨中區域的橋面明顯呈馬鞍型。

2.2 原因分析

(1)考慮到當時的設計理念和經濟效益情況，剛架拱橋大多采用尺寸小、配筋率低的構件，雖然滿足了當時的交通需求，但是未考慮到未來的交通量情況，造成橋梁結構安全儲備性能不足的問題。同時，橋梁拱肋僅采用橫向聯系，造成拱肋橫向剛度不足，受力不均勻。

(2)由于該剛架拱橋采用預制構件進行現場拼裝，對預制構件的尺寸、現場施工精度等要求較高。而在對該橋進行現場檢測時發現：大、小節點和拱肋跨中濕接頭接合處部位均存在豎向或者環向裂縫，接觸部位的焊接和后澆帶施工質量較差。

(3)該橋采用的結構設計標準較低，不符合現在的交通量需求。同時，該橋為當地的主要貨物運輸通道，存在超載、超重的現象，在長期的荷載積累作用下，加快了橋梁的破損速度。

3 加固方案

3.1 加固措施

為使加固后的橋梁承載能力仍能維持汽-20級、掛-100級水平，須采用以下加固措施：

(1)對主拱片1/4跨處主拱肋與中腹孔梁交界區域的嚴重裂縫部位采用粘貼鋼板加固并加強。

(2)采用灌縫、封縫及粘貼纖維布的措施對拱肋一般裂縫進行加固處理，提高橋梁部分薄弱構件的承載能力和安全性。

(3)對中跨有明顯沖刷的橋墩墩底，應在橋墩墩底周圍植入錨筋，并澆筑混凝土進行加強。

(4)鑿除原橋面鋪裝，重新加鋪直徑為12 mm、間距為10 cm的鋼筋網，同時更換伸縮縫，澆筑C40混凝土橋面鋪裝。

(5)對橋梁結構混凝土破損的部位進行修補處理，提高橋梁結構的完整性和安全性。

(6)對部分微彎板的橫橋向貫穿裂縫，考慮采用粘貼纖維布加固修復處理。

如圖3所示為該橋加固后半立面圖。

圖3 橋梁加固后半立面圖(cm)

3.2 主拱圈加固方案

由于在跨中實腹段區域和1/4跨主拱肋與中腹孔梁交界的區域，以及橋的1/8跨次拱腿和腹孔段存在較多裂縫，對橋梁的安全運行構成了潛在威脅，所以應著重對橋梁主拱片的這幾個部位進行加固處理。

考慮到主拱片的這三個區域也是主拱片預制件拼裝節點所在的位置，且是主拱片連續性最差的部位，故分別采用外包鋼板加固和粘貼碳纖維進行加固處理。其中，在1/8跨和跨中段采用粘貼碳纖維進行加固，1/4跨大節點處采用外包鋼板進行加固。這樣既可以對裂縫起到封閉作用，也加強了連接節點的連續性。由于加固部位的表面積較大，所用鋼板的厚度也不宜太薄，采用結構膠粘貼施工起來將比較困難，所以宜采用包鋼注漿的方法進行加固。先用M8×90膨脹螺栓將10 mm厚鋼板固定于主拱片兩側(跨中實腹段區域為兩側和底面)，然后再注入灌注用結構膠。

對于裂縫寬度>0.20 mm的裂縫，先進行注漿處理，再用包鋼注漿和粘貼碳纖維進行加固，即用壓力將灌縫專用環氧液注入裂縫內，使得斷裂的混凝土重新粘合在一起。

3.3 橫向聯系梁加固方案

橫向聯系梁對橋的橫向聯系工作性能起著最重要的作用。目前該橋已有部分橫向聯系梁出現裂縫，為使橋梁滿足正常的運營要求，應對橫向聯系梁進行加固處理。

采用高強度無粘結鋼絞線給每一道三跨橫向聯系梁施加預應力是一種最有效的加固方案，這樣既可以有效控制橫向聯系梁裂縫的展開，又大大加強了四榀主拱片的整體工作性能。在每道橫向聯系梁的兩側各布置2根極限強度為1 860 N/mm2、φ15.24 mm低松弛無粘結鋼絞線，每根鋼絞線張拉150 kN，在每道Ⅱ型聯系梁中將產生83 kg/cm2的壓應力。

3.4 橋墩基礎加固方案

由于溪水的長期沖刷作用，中跨南側橋墩底部已嚴重沖刷，最大沖刷深處達60 cm。為了確保橋梁安全使用和延長正常使用壽命，應對中跨橋墩進行加固處理。其加固方法是在橋墩墩底周圍打入錨筋并澆筑混凝土進行加強。

4 結語

本文在對結構進行病害分析評估的基礎上，根據某斜腿剛架拱橋的病害成因，采取綜合的處治對策：對主拱片主拱肋與中腹孔梁交界區域采用粘貼鋼板加固并加強；對拱肋裂縫進行灌縫、封縫并粘貼纖維布加固處理；對中跨有明顯沖刷的橋墩墩底周圍植入錨筋并澆筑混凝土；鑿除原橋面鋪裝，更換伸縮縫并澆筑C40混凝土橋面鋪裝；對部分微彎板裂縫采用粘貼纖維布加固修復處理。本文病害成因分析以及綜合處治設計方案可為同類型剛架拱橋的維修加固處治提供借鑒。