剛架拱橋加固方法及加固后評估分析

莫喜晶

(廣西壯族自治區桂西公路發展中心，廣西 南寧 530005)

0 引言

剛架拱橋的弦桿、斜撐和拱肋互相剛結，形成整體結構共同抵抗外部荷載，兼有拱和剛架的特性[1]。同時，拱上建筑不是單純的傳遞荷載，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。但是，由于構件尺寸偏小，剛架拱橋受力鋼筋配置一般較少，橫向聯系弱，整體剛度較低。隨著社會發展，重型車輛交通量迅速增大，剛架拱橋容易出現承載能力不足、病害發展快速等現象，存在較大安全隱患[2-5]。本文以廣西賀江一橋為項目依托，基于剛架拱橋的受力特點與病害現狀，對剛架拱橋加固技術進行探討，并通過荷載試驗分析剛架拱橋加固后的受力性能，為類似橋梁加固提供參考性建議。

1 橋梁概況

廣西賀江一橋建成于1995年，跨越賀江，全長212.0 m，橋面總寬20.0 m，原設計荷載等級為汽車-20級，掛車-100。該橋上部結構為4×43 m剛架拱，凈矢跨比為1/8，下部結構為重力式墩臺，擴大基礎。每跨主拱由7條拱片組成，拱片橫向間距為3.2 m，拱片由實腹段拱肋、內外弦桿、斜撐、拱腿組成。橋面為預制微彎板+現澆橋面混凝土結構。賀江一橋橋型布置如圖1所示。

圖1 賀江一橋橋型布置圖(cm)

2 橋梁病害及成因

賀江一橋剛架拱片弦桿和拱頂附近下緣出現較多橫向裂縫，弦桿為受彎構件，拱頂附近為彎壓構件，最大縫寬超過規范限寬，說明橋梁承載能力不足。由于該橋修建年代較為久遠，設計荷載較低，隨著交通的不斷發展，超載超限車輛不斷增加，使橋梁超負荷運行，剛架拱片承載能力不足從而產生超限裂縫。橫系梁病害表現為梁中部出現豎向貫通裂縫，其原因是賀江一橋橫系梁布置相對較少，截面尺寸較小，橋梁整體橫向剛度偏弱，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，同時微彎板對拱片產生推力，使橫系梁受拉，在剪力與拉力的共同作用下，橫系梁容易產生裂縫。

3 加固設計

3.1 加固方法比較

外包混凝土法是剛架拱橋傳統的加固方法，可有效增大剛架拱片的截面抗力。但賀江一橋剛架拱片截面較小，如下頁圖2所示，原拱腿截面面積為0.25 m2，外包混凝土的面積為0.41 m2，為原拱腿的1.6倍，混凝土與鋼筋消耗量大，經濟效果較差。另外，外包混凝土強度未形成前，新增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被破壞，施工安全隱患大。

圖2 拱片外包混凝土示意圖(cm)

粘貼鋼板法對原結構尺寸和自重影響小，施工工藝簡便，膠粘劑干固時間短，能較快參與結構受力。同時粘貼鋼板加固效果顯著，鋼板與混凝土內鋼筋共同受力，提高結構剛度、改善受力性能，也可防止已有裂縫的繼續發展，抑制新裂縫的產生。因此，賀江一橋采用粘貼鋼板法加固剛架拱片。

3.2 加固設計

針對橋梁結構強度和橫向剛度不足的情況，加固設計采用粘貼鋼板法提高剛架拱承載力，通過現澆整體式橋面板增強橫向聯系。加固設計細節如下：

(1)賀江一橋拱頂實腹段為彎壓構件，以受彎破壞為主，因此，在跨中15 m范圍實腹段底面粘貼8 mm厚鋼板N1(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8 mm厚鋼板N2、N3(見圖3)，以提高承載力，限制裂縫發展。

(3)拱腿為直桿型矩形截面，向下部結構傳遞大部分水平力和豎向力，同時還傳遞較小的彎矩，屬于小偏心受壓構件。加固改造使橋梁恒載增加，需提高拱腿承載能力，因此，在拱腿上下兩面粘貼8 mm厚鋼板N5、N6(見圖3)，鋼板可抗拉、抗壓，有效提高拱腿承載能力；同時增設環箍鋼板N9，使混凝土處于三向受壓狀態，提高混凝土的抗壓強度(見圖4)。

圖4 拱腿加固構造圖(cm)

(4)斜撐為矩形截面，可以起到減小弦桿彎矩，分散拱腿軸力的作用，也屬于小偏心受壓構件，主要加固方式與拱腿一致(見圖3)。

圖3 拱橋加固一般構造圖(cm)

(5)賀江一橋橫向剛度較弱，橫系梁中部出現豎向貫通裂縫，微彎板搭設在拱片上，未起到增強橫向聯系的作用，且對拱片產生不利推力。因此，采取拆除原橋橋面系及微彎板，重做整體現澆C40自密實橋面板的方式增強橫向剛度(見圖5)。現澆橋面板通過植筋與剛架拱片、橫系梁連接，將各拱片連接成為一個整體，使各拱片共同受力，限制拱片側向位移。同時，現澆橋面板與拱片組合成為“T梁”結構，拱片截面高度增加，有利于提高承載力。

4 內力計算

采用Midas Civil軟件對賀江一橋建立梁格模型進行計算分析。該橋為重力式橋墩，抗推剛度大，可按單跨拱橋計算，其有限元模型如圖6所示。計算時不考慮人行道、護欄對上構剛度的貢獻，但計入部分混凝土鋪裝層的影響。考慮到實際施工質量及尺寸偏差等因素，本次計入10 cm厚混凝土層，其余8 cm厚的混凝土層、人行道和護欄僅考慮其質量對結構自振特性的影響。

圖6 空間有限元模型圖

(a)拱頂位置

粘貼鋼板加固后，橋梁內力會有小幅度的增加，但加固截面的承載力得到了更大幅度的提升，從而達到加固效果。如表1所示，在基本組合下，各截面承載能力極限狀態均能滿足“城-B級”荷載等級要求。

表1 承載力極限狀態驗算結果表

5 加固后評估

5.1 靜力性能評估

選取1#跨、2#跨作為試驗橋跨，撓度測試截面布置內外弦桿最大正彎矩截面、L/4截面、L/2截面、5L/8截面、3L/4截面對應的橋面處，拱頂截面橫橋向和豎向變形測點布置如下頁圖7所示。因篇幅限制，本次分析僅列出1#跨拱頂截面試驗結果，其余截面測試結果類似。應變測試截面布置在拱腿、斜撐、大節點最大負彎矩處、內外弦桿、拱頂最大正彎矩處。拱頂截面橫橋向應變測點布置如下頁圖8所示，其中4#拱片與7#拱片沿截面高度布置3個應變測點，驗證鋼板與原拱片混凝土的結合性以及加固后結構變形是否符合平截面假定。

圖7 跨中截面撓度測點橫向布置圖(cm)

圖8 跨中截面應變測點橫向布置圖(cm)

對跨中截面靜載試驗測試結果分析如下：

(1)如下頁圖9所示，在正載與偏載工況下，1#跨跨中截面撓度實測值小于計算值，符合計算值偏安全的要求，如后頁表2所示，最大校驗系數為0.881，表明加固后試驗跨的整體剛度滿足要求。

(2)如下頁圖10所示，正載與偏載工況下，1#跨跨中截面鋼板應變實測值均小于計算值，如后頁表2所示，最大校驗系數為0.532，表明加固后試驗跨的整體強度滿足要求。

(3)如下頁圖11所示，加固后試驗跨第4#、7#剛架拱片沿高度分布的應變實測值有較好的線性關系，符合平截面假定趨勢，表明鋼板與原混凝土結合良好，變形協調，粘貼鋼板加固方法切實可行?；貧w曲線與Y軸的交點為截面的中性軸位置。

(4)如后頁表2所示，最大相對殘余撓度和殘余應變均<20%，表明結構在試驗荷載下處于彈性受力狀態，受力性能良好。

表2 1#跨跨中截面靜載試驗結果表

5.2 動力性能評估

對動載試驗測試結果分析如下：

(1)實測1#跨第1階、第2階豎彎頻率分別為5.713 Hz、7.715 Hz，均大于理論計算頻率4.271 Hz、5.731 Hz；實測阻尼比為0.760%～2.333%。

(2)如后頁圖12所示，在無障礙行車試驗和制動試驗時，1#跨和2#跨測試截面的最大動應變為67.04με。試驗過程中未發現動應變急劇增加并在相當長的一段時間內保持很大數值的現象。

(a)正載撓度

(a)正載應變

(a)正載應變

(3)由無障礙行車試驗動應變時程曲線計算1#跨實測沖擊系數，沖擊系數在0.010～0.192。如圖12所示。

圖12 車速為40 km/h時1#跨跨中截面各測點的動應變時程曲線圖

6 結語

橋梁維修加固是延長橋梁壽命、節約建造成本的主要途徑。針對剛架拱橋的構件尺寸偏小、整體剛度低的缺點，本文從其結構原理深入分析，采用了粘貼鋼板法，合理減輕加固自重，靜載、動載試驗表明加固后橋梁實測強度、剛度與頻率均優于理論計算值，能滿足提載至“城-B級”的荷載等級要求，可為類似橋梁加固改造提供參考。