某旧刚架拱桥病害分析及提载加固设计

2015-12-11 05:12郑瑞生詹德勇黄婷婷

福建建筑 2015年7期

郑瑞生，詹德勇，黄婷婷

(1.福建省建筑科学研究院;2.福建省绿色建筑技术重点实验室福建福州 350025)

刚架拱桥是具有刚架特点的一种拱桥，主要承重结构由拱肋形成主拱，主拱上构件为斜腿支撑，两者共同连接形成整体。上部结构的组成有刚架拱片、横系梁和桥面等构件。其外形与桁架拱桥较为相似，但结构组成又比桁架拱桥简单，整桥跨没有竖向杆件，只有少量的斜撑，故刚架拱桥具有了杆件数量少，自重轻，材料省，对地基承载力要求比其他拱桥低，经济指标好等优点。1978年我国江苏无锡建成第一座以后，在全国范围内大量修建，直到90年代初我国该类型桥梁长度达3万多米。刚架拱桥初期的快速发展主要归因于其造价成本低，比同跨径的其他类型混凝土桥可降低40%的成本。但是该桥的应用初期工程技术人员对刚架桥拱桥整体性差的缺点未给予足够的重视，横向稳定性不足，部分刚架拱桥建成营运几年后就成为了危桥，根据某省的一项调查显示，该省70%的刚架拱桥营运状况很不理想，均出现不同程度的损伤，甚至破坏无法使用的问题。目前，该类型的桥梁已基本被桥梁设计淘汰使用，或只用于人行或临时便桥上使用。

虽然刚架拱桥现已新桥建设中淘汰使用，但是在全国范围仍存在大量的、带病状态(已出现病害、损坏等)的刚架拱桥在工作营运着。许多桥梁处于繁忙的交通要道，无法进行拆除重建，而超载运输和交通流均有日益增多的趋势，甚至一些地方出现为配合路面白改黑改造盲目增加桥梁荷载的情况，给我国的公路、城市道路带来极大的安全隐患。因此，对旧刚架拱桥当前的工作状态进行调查和结构补强加固具有极其重要的意义。本文将以某旧刚架拱桥为配合白改黑工程实例，进行提载后的结构分析及加固处理技术进行分析研究。

1 工程概况

某刚架拱桥位于福建省一县进出城口，属国道上桥梁。桥全长59.6m，桥宽21m。上部结构:净跨3.0m钢筋混凝土矮肋板梁+净跨50m钢筋混凝土刚架拱+净跨3.0m钢筋混凝土矮肋板梁，主跨横向布设7片刚架拱片，拱片间距3.2m。桥面铺装连续，两侧桥头各一处简易伸缩缝。桥面系采用矢跨比为1/16、厚6cm的微弯板及现浇混凝土填平层。桥面宽度为3.35m(人行道)+14.3m(车行道)+3.35m(人行道)。下部结构采用钢筋混凝土组合式桥台。

为配合道路改造工程，该桥将在桥面上直接加铺10cm沥青路面，同时业主要求该桥改造后能够满足公路－Ⅱ级、人群3.5kN/m2的荷载要求。但是该桥无设计和竣工资料，需要对桥梁进行整体进行详细的现状调查、分析后进行相应的处理。桥梁结构如(图1)所示。

图1 某桥立面图

2 桥梁现状调查

2.1 主要病害

1)桥面铺装存在大量横向裂缝、纵向裂缝;伸缩缝不平顺;人行道板、栏杆、路缘石多处破损缺失;桥面排水不畅、积水;桥头沉降造成搭板凹陷。

2)跨中拱顶附近存在较多裂缝，大小节点附近弦杆段存在个别裂缝，所检裂缝最大宽度测读值为0.25mm，未超过规范限值;拱肋有露筋锈蚀现象;部分拱肋局部存在孔洞、蜂窝麻面等表观病害，详照片(图2、3)。

图2 拱肋蜂窝麻面图

图3 拱肋露筋锈蚀

3)微弯板存在开裂现象，主要集中于跨中附近，所检裂缝最大宽度测读值为0.73mm，超过规范限值;微弯板存在大量露筋锈蚀、裂缝、孔洞病害，严重的微弯板混凝土碎裂，导致桥面塌陷，详照片(图4、5)。

4)横系梁存在较多裂缝，车行道下部横系梁尤为严重，所检裂缝最大宽度测读值为0.72mm，超过规范限值。并有露筋锈蚀、混凝土表面蜂窝麻面、剥落现象。

5)下部结构盖梁受水侵蚀严重，有较多竖向裂缝，所检裂缝最大宽度测读值为0.35mm，超过规范限值。

图4 微弯板露筋锈蚀

图5 微弯板碎裂桥面塌陷

2.2 荷载试验

1)静载试验

静载试验按公路－Ⅱ级(考虑10cm沥青铺装层)荷载等级进行，静载试验荷载效率为0.86～1.01;在各工况荷载作用下，控制截面应变校验系数在0.14～0.94之间，满足校验系数小于1.00的要求;所测测点的最大相对残余应变小于残余应变限值要求(20%);在各工况荷载作用下，各控制截面挠度校验系数在0.39～0.94之间，满足校验系数小于1.00的要求;所测测点中的主要测点相对残余变形基本满足的残余变形限值要求(限值20%)。

2)环境振动试验

实测振动响应信号经试验模态分析，该桥竖向实测基频为5.00Hz，理论基频为3.07Hz，实测基频大于理论值，表明现状桥梁实际刚度较大。

3)桥梁承载力评定结果

根据桥梁缺陷状况检测结果、材质状况与状态参数检测结果和荷载试验结果对桥梁承载能力进行核算，该桥承载能力不满足公路－Ⅱ级、人群3.5kN/m2(加铺10cm沥青铺装层)荷载等级的使用要求。

3 结构计算分析

为了解桥梁结构提载后受力情况，本工程结构分析采用桥博3.0程序建立平面杆系模型分别对边拱肋和中拱肋进行计算。单片拱肋划分为70个单位，其中三角刚架区24个单位，桥面单元为46个单位，拱角采用完全固结，边支点采用竖向支撑，纵向滑动约束。拱肋离散如下(图6)所示。

图6 结构离散图

4 病害原因分析

近几年该地区交通量急剧增加，该刚架拱桥经过长时间运营，构件混凝土的开裂呈普遍现象，裂缝的产生有着各种各样的原因，内部和外部不同原因的裂缝和不同类别的裂缝对结构的安全性和耐久性也有着不同的影响。

4.1 微弯板

车轮荷载通过桥面铺装层作用于微弯板上，形成较为直接的受力构件，原设计的微弯板计算模型为将微弯板两端简化为弹性约束的变截面板进行承载力验算，该假定方法与实际受力状态相差甚大，且微弯板厚度仅设为60mm，因此大大降低了微弯板在实际工作中的可靠性。由于桥梁多年的使用，桥面铺装的破损，拱肋下挠、横向偏移等，均造成微弯板支座端偏位，严重者使得微弯板变成两端铰结的简支板，从而微弯板实际受力大大增加，超出设计范围，造成微弯板的破坏。本桥微弯板存在大量裂缝，且部分微弯板的塌陷，正是设计缺陷引起的。

4.2 横向联系

刚架拱桥的结构内力分析是根据平面杆系理论进行的，基本采用弹性支撑连续梁的方法进行横向荷载分布分析，而后进行纵向桥梁内力分析。在实际工程应用中，往往很难模拟横向联系的实际受力状况，导致结构内力计算失真。弹性支撑连续梁法需要结构必须有足够的横向连接刚度，横向连接刚度是通过横系梁、桥面铺装层及微弯板进行连接，而这种连接通过多年刚架桥的使用可知，其刚度较弱。

由于先天横向刚度的不足，桥梁使用一段时间后，横系梁逐渐出现开裂现象，横系梁的开裂弱化了横向刚度，出现更严重的裂缝，其裂缝基本形态为竖向贯通缝或斜向裂缝。同时在汽车荷载作用下出现振动现象，也使得横向连接减弱，导致刚度降低。同时微弯板的侧向水平推力作用也使得横系梁处于横向受拉，对横系梁产生不利作用。因此，由于刚架拱的先天不足，导致桥梁过早的出现不同程度的病害，病害又导致桥梁横向刚度降低，而刚度的降低加剧了构件的损伤、损坏，周而复始，造成桥梁使用年限大大缩短。

4.3 拱肋

根据桥涵通用设计规范，进行恒载、汽车荷载、温度荷载等组合，经结构分析可知，拱顶、拱角最大抗力不满足内力需求;跨中、拱腿(与大节点连接处)、拱角、弦杆(与大节点连接处)等部分部位裂缝宽度大大超出规范的最大要求。

同时，根据桥梁检测报告可知，拱肋混凝土质量表观差，表面粗糙、不平、局部蜂窝麻面;大小节点部位配筋不合理，缺乏必要的构造抗拉钢筋。因此，在桥梁使用过程在大小节点部位出现不规则裂缝，影响桥梁的结构承载力和耐久性。

5 加固对策及验算

5.1 加固对策

根据检测结果及上述病害分析，提出了主要处理措施，如下:

1)对拱肋跨中两侧各10m的范围内，拱肋下缘粘贴U型钢板，加配U型压条，粘贴钢板采用环氧树脂化学灌浆湿式外包钢法施工。

2)大、小节点受力复杂，两侧粘贴整体大钢板，在横系梁处断开，方便安装，粘贴整体钢板采用环氧树脂化学灌浆湿式外包钢法施工。

3)将拱腿全部和斜撑根部2.5m段外包混凝土加大截面;拱腿顶面、侧面增加混凝土厚度15cm;在拱脚2.5m段区域内，将拱腿和斜腿连成整体。在拱脚新增截面上加强抗弯受力钢筋，并将新增截面的连接钢筋植入原结构，以保证新增截面能与原结构共同受力。拱腿新增截面纵向钢筋与大节点钢板焊接连接，并将该部分混凝土过渡平顺。

4)对横系梁下表面粘贴钢板条加固，侧面上缘粘贴钢板，在拱肋处植入螺杆连接，增强横向刚度。

5)拱肋弦杆上缘出现较多裂缝，计算也发现该部分结构承载能力富余量较小甚至不足，为此采用在靠近弦杆上缘粘贴钢板条方法加固弦杆。

6)若配合整条路线改造，直接在桥面加铺10cm沥青混凝土，桥梁上将增加共250吨恒荷载，考虑原设计资料缺失，无法判定原基础承载力富裕度，应考虑尽量不增加旧桥恒载;同时，根据检测报告可以看出，微弯板及加劲肋存在较多裂缝，通过计算，原微弯板不满足荷载要求。因此，考虑采用将原桥面铺装层铣剖掉2cm的磨耗层，绑扎钢筋铺设8cm厚C40聚丙烯纤维混凝土铺装层，使得新增钢筋混凝土与原桥面板形成组合受力结构，共同承载受力;同时，对微弯板表观病害进行维修处理，采用压力注胶封闭裂缝、钢筋除锈、聚合物砂浆恢复保护层等措施。再者在桥梁铺装6cm沥青混凝土，桥两端与整体路线平滑过渡。既解决了桥面板承载不足的问题，同时又使得旧桥恒载增加不多。

7)对所有宽度大于0.15mm的裂缝进行灌浆处理，灌浆胶采用优质A级环氧灌缝胶。对所有宽度小于0.15mm的裂缝，无论缝宽大小，在进行裂缝的灌浆过程中一并封闭。

5.2 加固验算

1)计算参数

验算按照JTG D60－2004要求进行，汽车荷载采用公路Ⅱ级荷载标准，人群荷载3.5kN/m2。桥面铺装二期恒载为原混凝土铺装层铣剖2cm磨耗层，加铺8cmC40钢筋混凝土铺装层，其上加铺6cm沥青混凝土铺装层。混凝土强度按检测报告实测结果，恒载按改造后使用需要计取。对拱肋、弦杆、及大小节点节点处粘贴钢板的单元将钢板等效为钢筋加入单元截面，等效计算考虑0.9的应力滞后效应。

2)拱肋挠度计算结果

挠度计算结果如(表1)所示，计算结果表明，加固措施对桥梁的刚度有大大改善。

表1 汽车荷载作用下结构变形

3)拱肋控制截面强度计算结果

经验算现有的桥梁结构跨中强度基本能满足承载能力极限状态要求;拱腿大节点处、拱脚、斜腿脚及弦杆大节点处裂缝宽度不能满足正常使用极限状态要求。比较加固前后的计算结果，对桥梁的薄弱环节进行加强，提高了强度要求，减小裂缝宽度，增加了安全储备，达到了加固效果。边拱肋、中拱肋控制截面强度计算结果如(表2、3)所示;边拱肋、中拱肋控制截面裂缝计算结果如(表4、5)所示。路面加铺沥青混凝土提载后，经加固后桥梁拱肋各截面承载力、裂缝宽度要求等均能满足，并且有较大的富余度。