异型拱桥病害分析及改建方案优化设计

薛克远

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南郑州　450001)



异型拱桥病害分析及改建方案优化设计

薛克远

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南郑州450001)

某异型拱桥在使用过程中混凝土系梁、拱圈、横隔梁等构件出现不同程度的开裂现象，系梁竖向挠度过大，严重影响桥梁的使用安全。异型拱桥受力特性分析的结果表明，病害成因与构件尺寸、混凝土强度等级、刚度偏小以及接头构造措施偏弱相关。借助空间有限元软件，通过适当增加构件尺寸、提高混凝土等级、加强湿接缝的钢筋连接等优化措施，可优化结构设计，避免病害的产生。

异型拱桥病害优化设计桥梁加固

异型拱桥作为一种新颖的桥梁形式，诞生于20世纪90年代初期。由于其结构各部位的材料能充分发挥其材料特性， 结构合理， 轻巧， 用材较省，再加上外观奇特美观， 适用面广， 容易与周围环境相协调，具有较强的竞争力[3]。鉴于上述优点，在当时国内市政道路中修建了多座同类桥梁。

受当时计算手段、材料性能及施工质量等因素的控制，加之日益加重的超载运输等原因，该类桥型主要构件在使用过程中出现不同程度的病害，影响桥梁的正常使用和美观。以安阳市东风路异型拱桥为背景，分析各种病害的成因，提出桥梁的改建方案，对上部结构和下部结构分别进行优化设计和加固处理，既满足桥梁的使用要求，又维持桥梁作为城市标志性建筑的景观需要。

1　工程背景

河南省安阳市东风桥跨越市区安阳河，北接化工路，南接东风路，是市区通往化工区干道上的一座大型城市桥梁(见图1)。

安阳市东风桥全长125.66 m，主跨为2×59.72 m异型系杆拱桥，其“异型拱结构”为国际首创。该桥桥面全宽22.4 m，其中机动车道宽16 m，双向四车道，两侧人行道各宽2 m，人行道与机动车道之间为1.2 m拱带。“异型拱”拱肋为40号钢筋混凝土工字形截面，净跨56.88 m，矢跨比1/4，吊杆为37丝φ7高强钢丝束，斜率1∶1.25，每片拱肋布置吊杆12根，全桥共48根。每片拱肋下设置一道主梁，主梁为40号预应力钢筋混凝土槽形梁，横隔梁为30号钢筋混凝土桁架，沿道路方向每2 m一个，斜交30°布置，两端与主梁以湿接缝连接。横隔梁之间铺设16 cm厚预制混凝土桥面板，桥面板之间采用湿接缝连接。设计荷载等级为：汽车-20级，挂车-100。该桥梁1992年建成并投入运行，使用不足20年，系梁、拱圈及下部基础发现大量裂缝。

图1　东风桥总布置(单位：cm)

2　异型拱桥主要病害和成因分析

2.1拱肋

异型拱中墩拱脚处均发现斜向剪切裂缝，裂缝宽度约为0.2 mm，东、西侧面对称，并成45°发展。通过与历史普查资料[1]对比，裂缝长度及宽度无明显增加，裂缝发展趋于稳定。主要原因：拱脚处截面承受剪力较大，原设计该处截面尺寸和配置的抗剪钢筋不足，导致斜裂缝的产生。

2.2吊杆

吊杆上锚端出现混凝土开裂，锚垫板、锚头及镦头锈蚀，其余均出现不同程度的混凝土开裂，锚垫板锈蚀[2]。主要原因：吊杆上锚固端锚头未做防锈处理，未设置钢箱防护罩，且封锚混凝土施工质量不高，使得上封锚混凝土出现裂缝，雨水进入，引起锚垫板、锚头及镦头锈蚀。

2.3主梁

预应力混凝土主梁梁身侧面有大量竖向及斜向贯穿裂缝，主梁梁底有横向裂缝，局部有混凝土破损开裂、白花、钢筋外露及锈蚀。主梁高度为1 340 mm，梁身竖向裂缝长度多为600～1 000 mm[1]，部分已经超过主梁高度的一半。竖向裂缝宽度多为0.2～0.3 mm，已经大于规范[2]对于预应力混凝土构件允许最大裂缝宽度值0.1 mm的规定[1]。

主梁裂缝产生的原因主要有三点：一是该桥为斜交30°的斜桥；二是桥面板恒载以及活载通过横梁传递到主梁上，由于横梁产生挠曲，导致主梁向内侧扭转，而主梁为槽形截面，抗扭刚度不足，故产生扭转裂缝；三是主梁的承载能力不足，出现竖向裂缝和主拉应力过大的斜裂缝。

由于桥面板出现裂缝，桥面积水通过裂缝渗透至主梁，而主梁施工质量不高，钢筋的混凝土保护层厚度不够，受水侵害，主梁钢筋锈胀，故梁底局部出现破损、白花、钢筋外露锈蚀现象。

2.4横隔板

横隔梁采用桁架式预制构件，在两端与主梁预留钢筋，现浇为整体。横隔梁梁端的斜杆和竖杆节点部位普遍存在斜向、对称、贯穿裂缝。其裂缝长度多为200～400 mm，裂缝宽度多为0.2～0.3 mm，裂缝宽度部分已经大于规范对于钢筋混凝土构件允许最大裂缝宽度值0.2 mm的规定[1]。主要原因：①斜杆和竖杆节点部位受力较复杂，局部主拉应力过大，抗剪钢筋配置不足，出现斜向裂缝。②由于桥面板出现裂缝，桥面积水通过裂缝渗透至横隔梁，受水侵害，钢筋锈胀，故梁底局部出现破损、白花等现象。

2.5桥台

全桥共有南、北两座钢筋混凝土桥台。报告普查结果显示[1]，桥台帽梁支座附近斜裂缝明显，裂缝宽度已经大于规范限值，帽梁跨中出现不同程度的竖向裂缝。成因分析：桥台支座附近的斜向裂缝主要是由于该钝角处支反力较大，而原设计盖梁截面尺寸和配置的抗剪钢筋不足，且未配置弯起钢筋和斜筋。桥台盖梁中部附近处的竖向裂缝主要由桥台基础的不均匀沉降引起。

2.6桥墩

全桥共设1座双薄壁矩形桥墩，报告普查结果显示[1]，桥墩南、北侧面均有竖向贯通裂缝，裂缝宽度最大处达3 mm，已经大于规范限值。裂缝从桥墩顶部往下发展，一直延伸到水面。桥墩西侧面有大量横、竖向裂缝，裂缝宽度为0.5 mm左右，已经大于规范限值。成因分析：该裂缝是由于桥墩基础产生不均匀沉降，墩身两侧沉降大于中央，引起墩身中央因负弯矩而产生自上而下的延伸竖向裂缝。

3　设计优化措施

采用有限元软件进行空间分析，发现桥梁结构存在的主要问题，通过调整截面尺寸，优化钢筋配置等措施，提高结构的承载力和整体刚度，使其满足使用要求。其主要优化设计措施为：

(1)适当增加系梁梁高，采用实体截面，增大系梁抗扭刚度和竖向刚度。

(2)适当加大拱圈截面，尤其应加强陡拱侧拱脚抗剪承载力，增大拱圈的竖向刚度。

(3)采用空间结构分析，优化拱圈钢筋和系梁预应力钢束的配置。

(4)优化横隔梁截面尺寸，加大横隔梁与系梁现浇接头的长度，保证预制构件连接牢固，提高系梁和横隔梁的整体性。

(5)加强吊杆上下锚固端防锈措施，提高锚固端混凝土密实性，增设上锚固端钢箱防护罩。

(6)加强施工过程质量控制。

(7)重视吊杆等钢构件的防锈和保养工作。

4　改造方案研究

安阳市东风桥以其独特的造型成为安阳河上美丽的风景线，也是安阳市的标志性建筑，桥梁加固以维持原有桥梁造型为前提。提出桥梁改建方案：即上部结构全部拆除重建和下部结构加固方案。

4.1上部结构全部拆除新建方案

东风桥上部结构全部拆除，维持原桥型桥面布置、孔径、矢跨比等指标，根据计算分析对桥梁主要构件进行优化设计[4，8]。

系梁：截面高度由1.34 m增加到1.6 m；混凝土等级由40号混凝土改为C50混凝土，截面类型由槽形截面改为实心梯形截面，按照全预应力构件配置钢束。

拱圈：截面仍采用工字形截面，截面高度由1.5 m增加到1.6 m，腹板厚度由0.3 m增加到0.6 m，混凝土等级由40号混凝土改为C50混凝土，拱脚采用矩形截面，长度由1 m增加到3 m，加强系梁与拱脚的钢筋骨架。

吊杆：吊杆对数和斜率仍维持不变，共12对(一孔)，吊杆斜率1.25，吊杆钢丝材料由37φ7碳素钢丝改为PES61φ7平行钢丝。

横隔梁：横隔梁间距沿纵向仍为沿2 m一道，结构形式由桁架式混凝土结构改为矩形混凝土结构，梁高由1.34 m增加到1.4 m。

桥面板：加强桥面板之间现浇缝的钢筋连接，混凝土等级由30号调整为C40混凝土。

接头处理：加强横隔梁与系梁之间钢筋连接，现浇段混凝土等级由40号调整为C50混凝土。

4.2下部结构加固方案

桥台：帽梁宽度由2.8增加到3.05 m，增设抗剪钢筋骨架，考虑到桥台基础的不均匀沉降已趋稳定，对桩基础周围进行压力注浆加固。对既有裂缝采用裂缝修补胶进行封闭处理。

桥墩：双薄壁墩进行增大截面套箍加固，单肢壁厚由70 cm增加到120 cm，增设桥墩环向钢筋，提高桥墩整体性；为避免混凝土振捣不密实影响加固效果，内腔顶2 m范围内采用粘贴钢板加固，钢板条沿桥墩横向布设，2道/m，钢板厚5 mm，压条钢板采用U形布设，1道/m，钢板厚3 mm。钢板粘贴采用高强螺栓定位，压力注射钢板胶施工。

桩基础：主墩下方新增4根1.5 m钻孔桩基础，提高桩基承载力(见图2)。

图2　主墩加固示意(阴影为加固部分)(单位：cm)

4.3改建后效果分析

通过空间有限元模型提取各构件截面内力，根据公路钢筋混凝土和预应力混凝土设计规范进行配筋(预应力钢束)配置，经计算，各构件力学性能满足规范要求[9](见图3)。

图3　异型拱空间有限元模型

承载能力极限状态验算见表1。

表1　承载能力极限状态验算结果　kN·m

正常使用极限状态验算见表2。

(1)吊杆检算

吊杆安全系数均大于3，满足规范对吊杆抗拉安全系数不小于2.5的要求[10]。吊杆考虑车辆活载作用下引起的疲劳应力幅，疲劳应力幅均小于150 MPa。

(2)主拱整体稳定检算

通过主拱稳定计算分析，计算桥梁临界荷载为298.7 kN/m，安全系数为3.5，满足主拱整体稳定安全系数不小于1.8的要求。为安全起见，在不影响美观的前提下，两拱圈之间设置三道风撑[5，8]。

表2　正常使用极限状态验算结果　kN·m

注：负值代表压应力，正直代表拉应力。

(3)下部结构

下部结构通过增大截面法、粘贴钢板法及补加桩基础等加固方法[7]，帽梁和主墩各截面应力、基础变形、桩基承载力满足规范要求[10]。

5　施工工序

异形拱桥作为梁拱组合体系，应严格按照施工步骤进行科学施工，加强施工监测，确保达到设计目的[6](见图4)。

图4　异型拱改造方案施工步骤

[1]武大珞珈工程结构检测咨询有限公司.河南省安阳市东风桥桥梁现状及静动载试验检测报告[R].武汉：武大珞珈工程结构检测咨询有限公司，2010

[2]上海同丰工程咨询有限公司.安阳市东风路东风桥吊杆技术状态专项检测报告[R].上海：上海同丰工程咨询有限公司，2013

[3]李生智，王玮瑶，邬妙年.异型拱桥[M].北京：人民交通出版社，1995

[4]曾革助.钢筋混凝土异型系杆拱桥合理成桥状态与合理施工状态研究[D].长沙：长沙理工大学，2004

[5]王玮瑶，李生智，陈昌科.异型系杆拱桥[J].中国公路学报,1996，9(1):49-50

[6]陈锁.简支系杆拱桥施工过程分析[J].铁道勘察，2015(3)：130-134

[7]李洲.石太线拱桥包打加固方案比选[J].铁道勘察，2015(5)：50-54

[8]肖雄杰.某异型系杆拱桥空间力学特性分析[J].桥梁建设，2012，42(1):60-66

[9]于向东，吴志花.东风桥检算报告[R].长沙：中南大学，2013

[10]中交第一公路勘察设计研究院有限公司.JTG/T J22—2008公路桥梁加固设计规范[S].北京：人民交通出版社，2008

Analysis of Deterioration and Optimal Design of Reconstruction Scheme of Special-Shaped Tied-Arch bridge

XUE Keyuan

2016-01-22

薛克远(1984—)，男，2010年毕业于兰州交通大学桥梁与隧道工程专业，硕士，工程师。

1672-7479(2016)02-0110-04

U448.22； U448.72

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