预应力混凝土桁式组合拱桥病害分析与加固方案设计

田中华

(长沙市公路桥梁建设有限责任公司)

1 工程概况

M 大桥是一座位于湖南某县的预应力混凝土術式组合拱桥，主跨度为150 m，桥梁孔跨参数为515 m +150 m +415 m。主拱计算矢跨比为1/8，桥面的净宽度为13 m，其中行车道宽度9.0 m，人行道宽度2 ×1.5 m，汽车以及挂车设计荷载等级分别为－20 级与－100 级，人群设计荷载为3.5 kN/m2。

2 桥梁病害分析

2.1 拱座上立柱、拱座主要病害

M 桥岸当前的拱座与拱座上立柱部位都出现了较为严重的裂缝现象，立柱前后缘都存在数十条裂缝，裂缝多为竖向，且宽度均在0.2 mm 以上，更有些在0.5 mm 以上，其中最为严重达到了2.5 mm;拱座的后缘也存在大量的网状裂缝，其中一些宽度达到了1.0 mm 以上，前缘则存在较大的横向以及竖向的裂缝，裂缝宽度均在0.2 mm 以上，其中最为严重的达到了0.6 mm;拱座上、下游两侧面也存在大量裂缝，为网状以及斜向裂缝，问题最为严重的裂缝其宽度为1.57 mm。在岸拱座立柱以及拱座部位也有裂缝现象，但并未达到以上提及的部位的严重程度。

2.2 下弦主要病害

M 桥岸拱脚部位下缘存在纵向开裂现象，而在双竖杆处的下弦下缘也存在一些纵向以及横向的开裂现象，这个部位存在诸多问题:斜杆预应力筋锚具封锚不彻底、错具外露、水浸出、面混凝土网裂;箱间部分接缝质量较低，并且有钢筋绣蚀、空洞等问题;同时，在这个部位还存在大量的病害情况:钢筋裸露、混凝土严实不足等等。M 桥拱背表面平整度不高，水烛问题较为明显，使用混凝土大量劣化，还存在多处纵向开裂情况;在一侧的拱背中箱以及边箱的高程差距比较大，最大的甚至达到了13 cm。

2.3 实腹段主要病害

实腹段无论在上游还是下游部位，都存在斜向开裂以及纵向开裂的现象，局部的受理主钢筋还出现了裸露、锈蚀的现象。特别是在空、实腹交接处，开裂现象最为严重;拱顶附近两侧附近也存在较多的横、纵向裂缝，并且部分还存在渗水现象;底板中箱与边箱接缝处有着明显的错台现象，一些接缝存在诸多问题:掩密实状况不佳、异物填充、渗水现象;而在拱顶一侧，中箱底板有着严重的“鼓肚”问题出现。

2.4 上弦主要病害

在上弦中箱顶板下缘出现了较多的纵向贯通的开裂情况，并且大部分的宽度在0.2 mm 以上，一些则达到了0.5 mm 以上，最宽的有0.6 mm，伸缩缝处的顶板损情况较为明显，出现渗水、箱内积水的现象。在中箱底板处有较多的纵向开裂现象，析片存在数条斜向裂缝以及横向裂缝。

2.5 拱上竖杆、斜杆、横系梁主要病害

(1)混凝土局部破损、露筋。

M 桥在拱上竖杆、斜杆的钢筋部分出现了露筋现象，并且在裸露部位有明显的锈烛情况;还有一些钢筋在裸露部位锈涨，混凝土表面损坏、脱落。

(2)竖向、横向、环向、斜向裂缝。

双竖杆，短竖杆以及部分斜杆存在半环向开裂、环向开裂、横环向开裂、横向开裂现象，在横系梁处有较多的环向开裂，尤其是在系梁端部和斜杆连接处，这种现象最为严重，部分还出现了断裂。

(3)竖杆、斜杆接头病害。

在竖杆、斜杆接头部位的混凝土密实程度不足，甚至出现空洞现象;接头钢板外露，锈蚀。

2.6 桥面主要病害

M 桥桥面的纵向缝隙情况非常明显，同时还存在横向裂缝以及局部破损的情况。纵向开裂为贯通缝，长度达到了几十m，大部分宽到1～5 mm，最宽的达到了10 mm 以上;在桥面裂缝中，引跨部分情况比较严重，后缘的裂缝情况最为明显。

3 M 大桥加固方案设计

结合M 桁式组合拱桥的施工以及本身结构的特征，分析M 大桥病害特征和病害成因，推荐可采取的加固分案，基于可靠性原则，推荐出最终加固方案，如表1。

表1 M 大桥加固方案设计

4 加固结果前后对比分析

M 大桥为主跨150 m 的桁式组合拱桥，为多次超静定结构，桥梁结构复杂;由于桥梁现状等级为四类桥梁，病害较为严重，在经过多次加固方法综合分析论证后，针对不同部位病害产生原因和其受力特点采用针对性的加固方法，目前主要用来加固的方法为增大截面、粘贴钢板、外加预应力、置换混凝土、辅助构件、粘贴纤维复合材等。在加固前后两次荷载检测试验的基础上，分析比较加固前后的桥梁结构情况。

(1)桥梁外观。

M 大桥加固前，桥梁构件开裂严重，部分裂缝宽度达到了0.2 mm 以上，在采用对裂缝灌浆封闭并辅以增大截面加固或粘贴钢板等方法加固后，新增加固材料对原有混凝土起到了封闭甚至套箍作用，能够有效防止开裂情况。通过加固后检测，未发现新增裂缝，说明加固裂缝处理方法合理可行。桥梁设计纵坡为双向0.50，加固后检测桥梁的桥面纵坡(双向)处于0.50%～0.56%之间，说明桥梁的加固方法保证了桥梁的既有线形。

(2)试验荷载。

①加固前在试验荷载作用下，桥梁的残余变形较大，说明桥梁的整体协调受力性能较差;加固后在试验荷载作用下，卸载后整体上挠值回复正常，实测桥跨挠曲变形规律与理论计算值基本一致，说明桥梁的加固新增材料或构件能协同受力，保证结构的协同变形，加固方法切实可行。

②加固前在试验荷载作用下，大桥的实际承载力不能满足试验评定荷载(汽车－15，挂车－80，人群－3.5 kN/m2)等级正常使用的要求;加固后在试验荷载作用下，大桥的实际承载力能满足加固设计荷载等级(即试验评定荷载汽车－20，挂车－100，人群－3.5 kN/m2)等级正常使用的要求。

(3)评估结论。

①从桥梁加固前后外观检测来看，桥梁加固裂缝处理方法切实可行;采用增大截面法或外加预应力加固的构件并未因结构重量增大或预应力张拉引起桥梁的线型变化，说明通过增大截面加固法，将改变截面以及预应力张拉的幅度进行控制合理。

②从加固前后桥梁荷载左右下变形回复的程度来看，说明加固后桥梁的整体性能加强，桥梁协同变形能力得到提高，新增材料能较好的参与受力，新增材料与原混凝土接合面处理切实可行。

③从加固前后试验评定荷载桥梁的承载能力来看，桥梁加固使原来不能满足较小荷载等级的状况提升到能满足加固设计荷载等级的状况，说明该种方法效果良好，具有可行性。

［1］陈天本.桁式组合拱桥［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］王勖成.有限单元法［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［3］贾宁，丁作常，杜镔，等.桁式组合拱桥加固设计介绍［J］.公路交通科技(技術版)，2010，6(10):39－43.