某中承式钢管混凝土拱桥加固设计

高彦鑫

（广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广东广州 510507）

1 概述

1.1 桥梁工程概况

佛山市某中承式钢管混凝土拱桥位于西江干流，跨径布置为（78.5+4×82.6）m上承式钢筋混凝土肋拱桥+（2×110）m中承式钢管混凝土拱桥+（5×79+68.2）m上承式钢筋混凝土肋拱桥，桥面总宽 12.56 m。主桥上部结构为净跨径 100 m、矢跨比1/4、拱轴系数m=1.175 6的钢管混凝土中承式拱。主拱肋采用哑铃型断面，总高度为2.1 m，两根中心距为1 250 mm的φ750×10 mm钢管用厚度为10 mm、宽度为600 mm的钢腹板相连，钢管内、灌注混凝土。吊杆采用109根φ5高强碳素钢丝，外套钢管。其桥面系由吊杆横梁和行车道T梁组成。

两个主通航孔与引桥的交界墩即6#、8#墩为沉井基础，7#主墩为高桩承台基础，桥墩为空心墩。沉井基础和桩基础均嵌入砂岩和泥岩交互岩层。

1.2 主桥主要病害

（1）主桥桥面系下的拱肋横梁有局部的防护涂料脱落，钢管锈蚀。

（2）部分吊杆上锚头外露，吊杆上端预埋钢板锈蚀，吊杆混凝土护体破损，开裂。

（3）主桥桥道T梁横向连接为铰接，横向刚度较弱，铰接处混凝土病害较多。

4）吊杆横梁有少量裂缝；横梁端部吊杆封锚混凝土有多处封锚混凝土脱落、开裂。

2 桥梁结构分析[1-4]

鉴于上述病害，在考虑基础现状冲刷情况下，对桥梁进行结构分析，包括桥跨结构的变形验算，吊杆验算，结构稳定性分析，拱肋、吊杆横梁、桥道T梁等主要受力构件的承载力验算。

整体结构分析模型采用空间三维有限元模型进行计算，全桥由440个节点和768个单元组成，模型见图1。

图1 有限元模型

2.1 结构变形验算

计算挠度时根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85）4.2.3条规定：对于拱桥，以汽车荷载（不计冲击力）计算的上部结构最大竖向挠度不应超过L/800。根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（征求意见稿）钢管混凝土主拱在车道荷载（不计冲击力）作用下的最大竖向挠度（正负挠度绝对值之和）不应大于L/650。由表1可见挠度验算满足规范要求。

表1 汽车-20作用下桥面竖向挠度验算

2.2 主要受力构件计算分析

（1）吊杆验算

旧吊杆采用109φ5碳素钢丝，由计算结果可见,在不考虑吊杆锈蚀的的前提下,其安全系数为2.62,满足规范要求。考虑该桥通车运营超过20 a，考虑对吊杆进行更换处理。新吊杆采用OVM.GJ15－17钢绞线。验算结果见表2、表3。

表2 原吊杆应力验算

表3 新吊杆应力验算

旧吊杆最小安全系数为2.62，对应荷载组合为组合III。

新吊杆最小安全系数为3.4，对应荷载组合为组合 III。

（2）吊杆横梁、拱肋、桥道T梁验算

经计算分析,吊杆横梁在恒载+汽-20组合工况作用下，抗弯承载能力与应力均满足规范要求；在恒载+挂100作用下，抗弯承载能力满足要求，但拉应力最大为7.24 MPa，不满足85规范对B类混凝土限定的6.48 MPa要求。拱肋压弯承载能力满足规范要求。桥道T梁承载能力和抗裂均满足规范要求。

表4 桥跨结构稳定性分析结果

2.3 结构稳定性分析

根据对计算模型的稳定性分析,得到该桥的临界荷载系数及失稳模态,见表4。拱桥在恒载+汽20工况下一阶失稳模态的稳定系数为3.75，少于规范要求的4；且前五阶失稳均为拱的面外失稳，第六阶失稳为纵向失稳。面外失稳先于面内失稳，表明该拱桥的横向稳定较纵向稳定差，且其自身固有频率较低,从而使得该桥在低频干扰荷载作用下易发生侧向失稳。

针对上述情况，建议增加拱上斜撑加固，提高拱桥横向稳定性。常用的横撑形式有：一字型横撑、K字型横撑，X型横撑及米字型横撑等，本桥设计时针对不同的横撑设置，对结构在恒载及汽车荷载作用下的屈曲稳定系数进行计算，结果见表5。

表5 桥跨结构稳定性分析结果

由表5比较得出，桥梁横撑的不同组合对稳定的影响很大，一字撑对桥梁的横向刚度影响最小，K撑和米字撑能够显著提高横向刚度，从而提高桥梁的整体稳定性。考虑桥梁景观效果，采用桥面增设4道K撑的方案；增加斜撑后，恒载、恒载+汽20的一阶稳定系数分别提升至11.9、10.04，符合规范要求。其中，第一阶失稳模态均为拱的面外失稳，第二阶失稳模态为拱的面外失稳和桥面扭转失稳，第三阶失稳模态为纵向失稳，整体刚度分配较合理。

3 加固设计方案

3.1 加强主拱圈横向联系

考虑到该桥拱肋稳定系数较低,本次加固对钢管拱肋增设了K形支撑,即在原有“一”字形横撑的基础上增加斜撑,新增斜撑的钢管型号为φ600×8 mm,分别与原有拱肋的上、下弦钢管相连，见图2。

图2 新增斜撑平面布置图

3.2 吊杆更换

原设计吊杆由于设计缺陷导致吊杆检查及更换难度较大，根据2011年常规检测报告，第6孔下游侧的5#吊杆索力与上一次检测相比变化了6.32 t，变化幅度约为11%。同时鉴于多数吊杆基本达到了使用年限，故本次加固考虑更换全部吊杆。其主要施工工序为：兜吊体系制作及安装；旧吊杆拆除；新吊杆安装、张拉；新吊杆调索。新吊杆采用OVM.GJ15－17钢绞线整束挤压吊杆。

3.3 加强桥道T梁横向连接

全桥桥道T梁横向连接为铰接，横向刚度较弱，铰接处施工质量较差，混凝土病害较多，导致桥面铺装在T梁纵向接缝处产生较多的反射裂缝。为加强横向联系，对铰缝中心线两侧横隔板及T梁翼缘各凿开20 cm宽，补焊钢筋后浇筑一道湿接缝，使T梁横隔板形成一个整体，见图3。

图3 T梁横隔板增加湿接缝处理示意图（单位：cm）

4 结语

通过对该桥的加固,得出了以下几点结论：

（1）对于现役钢管混凝土拱桥的吊杆,应进行定期检查,对锈蚀严重的吊杆应及时更换。

（2）拱肋横向联结对钢管混凝土拱桥稳定性有较大影响。K撑和米字撑对结构稳定的提高要明显优于一字撑，实际工程中应考虑稳定及景观的需要，合理布置横撑的形式。

（3）对于横向联系较弱的现役拱桥的桥面结构（如T梁），应考虑加强其横向联系，从而减少横向连接部位和桥面铺装病害。

[1]JTGD62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[2]JTJ 023-85,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]王国鼎，钟圣斌.拱桥[M].北京：人民交通出版社，2000.

[4]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社,2002.