下承式预应力桁架拱桥加固改造研究

刘 洋，王 楠

（中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉 430040）

桁架拱桥是继双曲拱桥之后发展起来的一种拱式结构，它具有外形美观、造价低廉、施工简便、节省材料等优点，我国在上世纪六七十年代修建了大量的桁架拱桥。随着我国国民经济和交通运输业的迅猛发展，交通量与载重量不断增加，加上当时设计与施工经验的先天缺陷，营运多年的桁架拱桥出现了不同程度的病害，从而衍生出了对桁架拱桥加固方法的讨论。

1 桁架拱桥加固改造的研究现状

从目前国内外对桁架拱桥加固改造的文献来看，桁架拱桥的病害主要集中在上部结构，即主拱圈、下弦杆、腹杆、系梁等，其主要加固方法有3种：

1）凿除原杆件钢筋混凝土保护层，浇筑钢筋混凝土补强截面，新旧截面依靠钢筋和混凝土紧密连接［1－2］；

2）粘贴钢板或碳纤维布进行加固补强［3］；

3）预制好补强杆件，再用电焊焊接钢板与原杆件相连，形成一个整体，共同受力［4－5］。

上述桁架拱桥的加固改造，均是针对上承式或中承式桁架拱桥病害特点提出的加固方法，而下承式桁架拱桥的加固改造却未见报道，该文结合某大桥的工程实例，对下承式桁架拱桥的加固改造进行了论述，以期起到抛砖引玉的作用。

2 下承式桁架拱桥病害类型及原因分析

下承式预应力混凝土桁架拱桥是一种无推力的拱式组合体系桥（图1），为外部静定、内部超静定结构，有混凝土桁架梁的特点，又兼有系杆拱的优点。这种桥型由拱肋、系梁、横梁、横撑、竖杆、斜撑、行车道梁、桥面系和墩台基础等组成。当桥面高程受到限制，地质条件不良，而桥下又要求保证较大的净空时，下承式预应力混凝土桁架拱桥是不错的选择方案。

下承式预应力桁架拱桥的力学性能和材料指标优于同等设计条件的单一结构体系，其特点是将主要承受压力的拱肋和主要承受弯矩的行车道板组合起来共同承受荷载，充分发挥组合结构中的各种构件的优点。

下承式预应力桁架拱桥因其自身特有的结构特点，其上部结构主要构件常见病害及成因分析如下：

1）拱肋拱轴线变形：拱肋出现裂缝，混凝土剥落，碳化严重，露筋或钢筋锈蚀，致使拱轴线变形。

2）预应力系梁开裂：系梁产生裂缝，钢铰线锈蚀加剧预应力损失，致使负荷大于其承载能力。

3）横梁露筋或钢筋锈蚀：横梁端节点受力过大，产生裂缝，致使露筋或钢筋锈蚀。

4）竖杆开裂：竖杆安装不当或者防护失效使钢铰线锈蚀或锚具作用发挥失常等导致竖杆开裂。

5）斜撑露筋或钢筋锈蚀：斜撑受力不均而产生裂缝，致使露筋或钢筋锈蚀。

在以上病害的综合作用下，会导致桥梁的承载能力降低和刚度下降。

3 工程实例

3.1 工程概况及病害

某大桥（图2）桥梁全长156.5m。桥梁跨径组合为4×13m＋49m＋4×13m，主桥为下承式预应力混凝土桁架拱桥，引桥为钢筋混凝土空心板，桥面全宽8.35m。桥梁设计荷载：汽－15，挂－80级。该桥1997年12月建成。

根据检测报告及现场核查，该桥主要病害有：1）桥梁的刚度不能满足设计要求。2）上部结构：主桥斜撑和竖杆均有多处露筋，表面混凝土脱落，并且有多处环绕裂缝；主拱拱脚处混凝土开裂，露筋锈蚀。3）桥面铺装：主桥铺装平顺性较差，存在骨料外露现象。4）伸缩缝：全桥伸缩缝破坏严重，基本看不出有伸缩缝存在。5）栏杆、护栏：栏杆整体状况较差，存在断裂，缺失现象；栏杆混凝土开裂、露筋现象普遍，影响正常使用。

3.2 加固方法

1）主桥上部结构：主桥拱肋、系梁、斜撑和竖杆的混凝土缺陷采用小石子环氧混凝土修补，对裂缝采用建筑结构胶进行封闭。（1）拱肋：拱肋的强度和刚度不足，采用外包型钢加固或粘贴钢板。主拱肋上缘粘贴工字钢或粘贴钢板法可以对主拱结点进行加固补强，加强组合构件结点处的连接，提高上部结构的整体刚度。这两种方法可以不破坏原结构的尺寸，施工简单，工期短，施工质量易控制。（2）系梁：为了提高桥梁整体承载力，可在系梁底部采用粘贴钢板法或粘贴碳纤维加固法进行加固。（3）斜撑：为了提高斜撑刚度，可在斜撑两侧面粘贴U 型槽钢或是粘贴钢板。（4）竖杆：竖杆承载力不足，可采用粘贴碳纤维布提高其承载力。

2）桥面系：修补主桥桥面铺装，封闭裂缝，更换栏杆为波形护栏。

3.3 上部结构加固方案的确定

3.3.1 拱肋、斜撑加固方案比选

采用“桥梁博士”计算软件，对全桥结构进行简化计算，系梁划分60个单元，拱肋划分54个单元，竖杆划分56个单元，斜撑划分24个单元，共194个单元，结构离散图如图3所示。

根据加固前后的结构进行计算，并对加固前后特殊点的挠度进行对比，同时按照荷载等级和组合对加固后的结构进行内力应力、主梁极限承载力计算，判断使用阶段应力、极限承载力及整体刚度是否符合规范要求。

主桥加固前后计算结果对比：

表1 主要节点加固前后竖向位移对比（位移向下为正）

从表1可以看出，拱肋上缘贴工字钢和斜撑粘贴槽钢这种加固方法产生的竖向位移小，加固后全桥结构的刚度明显增强，结构自重作用下的跨中位移较加固前减少了14%左右，使用位移组合Ⅰ作用下的跨中位移较加固前减少了18.5%。说明粘贴型钢能较好的提高下承式桁架拱桥上部结构的刚度。

3.3.2 系梁加固方案比选

系梁横截面为矩形，如图4所示。

1）粘贴碳纤维布加固法

碳纤维布加固具有以下优点：（1）强度高，抗拉强度约为普通钢材的10～15倍；（2）加固后能提高结构的耐腐蚀性和耐久性；（3）自重轻，基本不增加结构自重及截面尺寸，柔性好，易于裁剪；（4）施工简便，不需大型施工机构及周转材料，易于操作，经济性好。

拟采用系梁底贴1 层碳纤维布，厚度t＝0.222 mm，经计算弯矩组合设计值Md＝670.0kN·m，加固后正截面抗弯承载力M1＝752.1kN·m，粘贴碳纤维加固后正截面抗弯承载力大于弯矩组合设计值，加固后能满足要求［6］。

2）粘贴钢板加固法

使用粘贴钢板法加固有以下优点：（1）不会破坏被加固结构的外形，施工质量易于控制；（2）桥梁自重增加较小；（3）施工简便。

拟采用系梁底粘贴厚6mm、宽250mm 的Q235钢板加固。经计算，加固后正截面抗弯承载力M2＝741.6kN·m，粘贴钢板加固后正截面抗弯承载力大于弯矩组合设计值，加固后能满足要求。

3）加固比较及分析

由计算结果可知，M1＞M2＞Md，粘贴碳纤维布的加固效果优于粘贴6mm 厚Q235钢板；从造价上看，每平米6mm 厚的Q235钢板约1 250元，每平米0.222mm 厚的碳纤维布约为850元，使用碳纤维布较钢板更为经济。

3.4 加固效果

该桥加固改造已于2010年5月完成，建设方在本桥加固前后做了荷载试验进行对比分析，结果表明：在拱肋上缘粘贴工字钢，在斜撑粘贴槽钢，在系梁底粘贴碳纤维布的综合加固方法增大了大桥的刚度，提高了桥梁的承载力，取得了良好的加固效果。该桥至今已正常营运近3年，取得了良好的社会效益和经济效益。

4 结语

a.大桥的加固实例表明：在拱肋及斜撑粘贴型钢，在系梁底粘贴碳纤维布的综合加固方法能有效地增强桥梁的整体刚度，提高结构承载力，施工方便，成本较低，且不影响桥梁在加固期间的交通畅通。总之，采用该综合方法加固桥梁效果明显。

b.通过对下承式预应力混凝土桁架拱桥病害分析及加固改造，填补了以往桁架拱桥的加固只涉及到上承式或中承式桁架拱桥这一空白，使桁架拱桥的加固范围更加全面。

［1］李福忠.桁架拱桥的常见病害与维修加固［J］.公路，2002（9）：72－74.

［2］刘国慧.桁架拱桥病害分析及维修加固措施［J］.公路交通科技：应用技术版，2007（1）：117－119.

［3］孙小燕，莫喜晶.钢筋混凝土桁架拱桥病害分析及加固技术［J］.重庆交通大学学报：自然科学版，2008（11）：898－901.

［4］何柏春，沈志荣，姚海军.桁架拱桥典型病例分析与加固处理［J］.公路交通科技，2006（3）：103－104，108.

［5］陈金顺，何伟军，方合雪.桁架拱桥的常见病害成因分析与维修加固方法［J］.公路交通科技：应用技术版，2007（6）：114－116.

［6］单成林.旧桥加固设计原理及计算示例［M］.北京：人民交通出版社，2007.