在役桁式组合拱桥承载力评估与加固方法研究

姚国文，陈 勇

(1.重庆交通大学山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，中国重庆400074;2.重庆交通大学土木建筑学院，中国 重庆400074)

1 预应力混凝土桁架式组合拱桥

1981年贵州建成了我国第一座预应力混凝土桁式组合拱桥——长岩大桥，主跨为75 m。1995年建成了世界上跨径最大的桁式组合拱桥——江界河大桥，见图1，跨径达到330 m。桁式组合拱桥结合了桁架拱桥和T型桁架连续刚构桥的特点，具有造型雄伟、受力合理、跨越能力强、工程数量少等优点;采用人字桅杆吊机作为吊装工具悬拼施工，通过两个钢井架桅杆对混凝土梁、柱和板进行悬臂拼装［1-2］，具有操作简便、安全稳妥、节省施工用钢材等优点。因此，桁式组合拱桥适合在经济条件较差的西部山区建设。

经过30多年的运营服役，桁式组合拱桥在结构性能上的弱点逐渐凸显，未曾预料到的诸多问题和病害在一些桥梁日益暴露，部分桁式组合拱桥出现不同程度的病害，严重影响了桥梁安全。其中少数桁式组合拱桥已被拆除，部分进行了加固改造，大部分桁式组合拱桥仍处于带病服役状态。

图1 江界河大桥(1995年，主跨330 m)Fig.1 Jiangjiehe Bridge with span of 330 m(1995)

笔者对服役桁式组合拱桥技术状况进行评估，采用静力、动力载荷试验检测桥梁的承载能力，并针对桥梁典型病害提出对应的维修加固方法，进一步提出桁式组合拱桥设计与施工技术方面的改进建议。

2 承载能力检测评估

2.1 典型缺陷与病害

近年来，多数技术状况较差的桁式组合拱桥已经进行了检测评估，笔者总结了6座主跨80～180 m的桁式组合拱桥病害检查情况，有两河口大桥、都格大桥、斯拉河大桥、花鱼洞大桥、西溪干沟大桥和盐津河大桥。它们典型的破坏模式和病害类型包括:

1)桥梁上下弦杆与腹杆、双竖杆及短竖杆连接的节点部位出现了不同程度的开裂、混凝土剥落、钢筋锈蚀，见图2、图3(a);预制板之间的现浇接头开裂甚至断裂，见图3(b)。跨中区段底板、上下弦杆和箱梁的混凝土节点处存在大量纵向、横向裂缝，见图3(c)。刚性连接的接头部位非常薄弱，部分施工质量较差，在活载反复作用下，节点处出现应力集中，导致混凝土开裂、钢筋锈蚀，进一步导致拱圈纵向和横向联系减弱，抗弯刚度降低［3-4］。

图2 预制桁架弦杆、接头部位开裂严重Fig.2 Truss joints crack greatly between precast upper and lower chords，web members and vertical members

图3 接头、预制板与跨中区段底板混凝土开裂Fig.3 Cracks distribute over the cast-in-situ joints，the precast plates and the solid-web girder at midspan

2)钢束预应力损失严重，部分预应力锚具暴露、锈蚀，见图4，后张预应力管道灌浆欠压而导致管道空心，预应力损失导致结构强度和承载能力降低［5］。

图4 预应力锚头暴露锈蚀Fig.4 Prestressed anchors exposed with rusted steels

3)跨中区段梁体明显下挠。都格大桥跨中截面下挠11 cm，见图5;盐津河大桥跨中截面下挠17 cm;其原因为混凝土开裂和预应力损失导致结构的刚度降低。

图5 都格大桥跨中区段下挠11 cmFig.5 11 cm Deflection of Duge Bridge

2.2 技术状况评定

根据JTG/TH 21—2011《公路桥梁技术状况评定标准》、JTG/TJ 21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》，通过桥梁构件、部件、结构、全桥不同层次、采用先分部再综合的办法对桥梁技术状况进行评定，多数桁式组合拱桥技术状况等级为3级、4级。表1为6座桁式组合拱桥技术状况评定结果与养护对策。部分5级桥梁如桂花大桥在运营8年后不得不拆除重建。

表1 6座桁式组合拱桥技术状况评定结果与养护对策Table 1 Condition assessment of six trussed combination arch bridges

2.3 静力、动力荷载试验

对上述6座桁式组合拱桥进行静力、动力荷载试验，对桥梁结构的强度、刚度、动力性能进行检测，对承载能力进行评估，见图6、图7。

静载试验表明，多数桥梁挠度校验系数低于1，但部分应力校验系数大于1，个别甚至超过1.5。应变记录显示出明显的离散性，平均比率为1.5～3.8，贝塔系数高达 1.3［6］。试验结果表明，桁式组合拱桥横截面应力分布偏离了设计状态，部分内力由拱肋或箱梁转移至中板，接头严重开裂、施工质量低等因素导致的结构整体性能较差是主要原因。

图6 斯拉河大桥静态荷载试验Fig.6 Static loading test of the Sila River Bridge

图7 都格大桥有限元模型与振型频率Fig.7 FEM model and frequencies of Duge Bridge for static and dynamic loading tests

根据旧的设计规范要求，跨径超过70 m的桥梁可以忽略冲击效应。但是动载试验表明，桥梁结构整体应变增大系数过高，部分截面高达2.37，见图8。结构基频、二阶频率与车辆荷载频率接近，因此桥梁振动与车辆荷载产生耦合效应，过大的冲击效应明显削弱了桥梁的承载能力和安全储备［7］。

图8 应变增大系数随汽车速度的变化曲线Fig.8 Curve of strains enlarged with truck velocity increasing

3 维修加固方法

3.1 病害维修加固对策

针对桁式组合拱桥典型病害，对结构损伤部位进行修补，对结构进行加固，以恢复桥梁结构的整体刚度，提高承载力与耐久性，消除安全隐患，延长结构的使用寿命。主要维修措施包括:

1)对接头裂缝进行压力灌注环氧胶修补处治，对混凝土剥落、露筋部位进行修补，以提高桥梁结构的整体性和耐久性。

2)对空腹段下弦采用增大截面、横向体外预应力的方法进行加固［8］。部分构件混凝土内部存在空洞，为了提高构件受力的整体性，采用钻孔高压压注改性环氧树脂的方法进行处治。

3)跨中实腹梁段裂缝修补后，可以采用贴碳纤维布加固的方法，两层碳纤维布纵向、横向交错布置［9］。

4)由于腹杆与下弦杆连接节点处开裂、混凝土浇筑质量较差，为了提高接头连接性能，降低桥梁结构的冲击效应，接头处采用贴钢板后外包混凝土的方法进行加固。为了提高黏贴钢板与外包混凝土的连接，钢板外侧设置拴钉。

3.2 增大截面法加固拱圈

对于预应力混凝土桁式组合拱桥，桁架和拱圈共同承受荷载。与桁架节点裂缝相比，拱圈裂缝危害较轻，因此，部分内力从拱圈转移到桁架。如果采用增大拱圈截面的加固方法，拱圈刚度和强度会得到提高，见图9，增大拱圈截面加固后桁式组合拱桥接近于传统的箱板拱桥［10］。另外，在拱圈空腹段设置后张预应力钢束，进一步提高结构的整体性。

图9 增大截面法与横向预应力钢束法加固拱圈Fig.9 Arch ring strengthened with the cross-section enlargement and transverse prestressed tendons

3.3 预应力锚索法加固跨中实腹梁

跨中截面实腹梁明显下挠，其原因包括混凝土开裂和预应力损失导致的结构刚度和强度降低。对于实腹梁段在跨中区段设置体外预应力锚索的方法是积极有效的，见图10。4束预应力钢束锚固在实腹梁和桁架的连接部位，然后进行预应力张拉［10］。设置的体外预应力锚索可以延缓实腹梁段的持续下挠，改善结构动力特性并增加承载能力。

图10 体外预应力锚索法加固实腹梁Fig.10 Solid-web girder at midspan strengthened with the external prestressed cables

4 讨论

虽然桁式组合拱桥已不再新建，但其经验教训可为山区大跨径拱桥的发展提供参考。首先，桁式组合拱桥冲击效应显著，这是一个严重的设计缺陷，现行设计规范对此进行了改进。其次，桁架节点等部位薄弱、施工质量低，导致应力集中、混凝土开裂情况严重。因此，应注重预制构件的连接问题。另外，贵州省是我国资源大省，煤炭和其他矿产等重型卡车运输密度大，超载现象严重，对桥梁造成的损伤不容忽视。

5 结语

1)由于设计缺陷和施工质量等问题，在役预应力混凝土桁式组合拱桥存在桁架节点严重开裂、跨中实腹梁明显下挠、部分预应力损失等典型病害，危及到桥梁的安全运营。

2)荷载试验表明，桁式组合拱桥横截面应力分布明显偏离设计状态，结构冲击效应显著，大大削弱了结构的承载能力，部分桥梁评估为危桥，需要对其进行结构加固或降低荷载等级使用。

3)针对桥梁典型病害总结了对应的维修加固方法，接头处裂缝修补、黏贴钢板或CFRP以增强其结构整体性，拱圈增大截面、设置横向预应力束以提高结构承载力和整体性，跨中区段增设体外预应力钢束延缓梁体下挠并提高承载能力。

［1］陈天本.桁式组合拱桥［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］潘成杰，陈天本，陆宗林.贵州江界河桁架式组合拱桥设计［J］.土木工程学报，1989，22(4):49-56.Pan Chengjie，Chen Tianben，Lu Zonglin.Design of combined arch bridge with truss pattern in Guizhou province［J］.Journal of Civil Engineering，1989，22(4):49-56.

［3］刘立胜，杨大鹏，吴代华.预应力桁式组合拱桥的病害成因分析［J］.武汉理工大学学报，2008，30(4):110-113.Liu Lisheng，Yang Dapeng，Wu Daihua.Damage mechanism investigation of trussed combination arch bridge by FEM［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2008，30(4):110-113.

［4］许长城，钟宁，张鑫.预应力混凝土桁式组合拱桥病害成因分析［J］.公路交通技术，2009(2):70-72.Xu Changcheng，Zhong Ning，Zhang Xing.Analysis of prestressed concrete trussed combination arch bridge disease［J］.Technology of Highway and Transport，2009(2):70-72.

［5］刘永会，黄福伟，唐钰升.旧桁式组合拱桥的承载能力评价［J］.公路交通技术，2005(6):70-73.Liu Yonghui，Huang Fuwei，Tang Yusheng.Estimation of bearing capacity for old trussed combination arch bridges［J］.Technology of Highway and Transport，2005(6):70-73.

［6］曹伟.桁式组合拱桥典型病害及其对力学性能的影响研究［D］.重庆:重庆交通大学 ，2009.

［7］宋雷，周志祥，周锐.大跨度桁架式组合拱桥结构损伤对其动力特性的影响［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2005，24(4):1-5.Song Lei，Zhou Zhixiang，Zhou Rui.The effect to the dynamic characteristics of long-span trussed combination arch bridge by damage of the structure［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2005，24(4):1-5.

［8］黄小平，韦忠胜.盐津河大桥病害分析及加固［J］.公路，2006(2):12-18.Huang Xiaoping，Wei Zhongsheng.Analysis of damage of Yanjin River Bridge and its strengthening［J］.Highway，2006(2):12-18.

［9］严云，徐海燕，上官兴.桁式组合拱桥存在的问题及加固新思路的探讨［J］.华东交通大学学报，2008，25(3):11-13.Yan Yun，Xu Haiyan，Shanguan Xing.Research on the problems in trussed combination arch bridge and its reinforcement scheme［J］.Journal of East China Jiaotong University，2008，25(3):11-13.

［10］牛宏，贾磊，慕玉坤.桁式组合拱桥4种加固方法的对比分析［J］.桥梁建设，2009(1):78-80.Niu Hong，Jia Lei，Mu Yukun.Comparative analysis of four kinds of strengthening methods for trussed combination arch bridges［J］.Bridge Construction，2009(1):78-80.