钢筋砼双曲拱桥病害分析及粘贴钢板加固

袁友忠

（衡南县农村公路管理所，湖南衡阳 421100）

钢筋砼双曲拱桥病害分析及粘贴钢板加固

袁友忠

（衡南县农村公路管理所，湖南衡阳 421100）

针对湖南衡阳茶市大桥加固，从分析公路钢筋砼双曲拱桥病害发生原因入手，结合双曲拱桥的结构特征与病害特性，在相关施工原则的指导下，对双曲拱桥的拱肋等部位采用粘贴钢板加固，消除双曲拱桥潜在安全隐患。

桥梁；钢筋砼双曲拱桥；病害；钢板粘贴加固

湖南衡阳茶市大桥为一座横跨耒水的公路钢筋砼双曲拱桥，建于20世纪90年代初。全长301.5 m，宽12 m，桥型布置为5×55 m双曲拱+1×5 m砼单拱，横向布置为2×1.5 m人行道+9 m行车道。矢跨比为1／6，主拱圈包括6个拱肋、8个拱波。现场调查发现该桥桥面已出现沉降现象，路面不够平顺；两侧栏杆呈现向外推移的趋势；腹拱与拱圈有明显裂缝，主拱局部也出现了裂缝；桥面铺装层由于年久失修出现了较为严重的渗水现象，导致大量水分集聚在拱上填料中，降低了承载能力，进而使桥面出现下沉；拱腹外侧的墙外移明显，栏杆也随之发生外移；桥面防水层已无法发挥作用，拱圈、拱波上出现严重的渗水现象。该桥各部位均出现了病害，严重影响了其承载能力，危及行车安全，需对其进行维修改造。

1 病害分析

1.1 拱顶发生沉降，造成拱肋横向开裂

桥面位移是造成该桥拱顶沉降的主导原因。在使用过程中，由于车流量逐渐增加，加上桥梁地基的轻度沉降，拱座位置发生轻度偏移。加上双曲拱桥自身抗推能力不足，钢筋砼桥面发生位移，使双曲拱桥的跨度加大，导致拱座变形、拱轴线弯曲，进而引发拱肋横向开裂。同时钢筋砼桥面位移导致桥面积水严重，加之维修保养措施不力，造成桥梁进一步损坏，并削弱了拱顶建筑结构中填充材料的抗剪能力，引发部分侧墙倾斜。

1.2 拱肋、拱波等受力部位出现裂缝

双曲拱桥拱肋、拱波等受力部位的裂缝分为两类：一种为主拱圈的恒载等建筑结构在力的作用下发生位移而引发结构性裂缝；另一种是钢筋砼在干燥过程中，由于材料性质变化而出现塑性收缩裂缝。从危害程度来看，钢筋砼塑性收缩所产生的裂缝较短、宽度较小，不会对主拱圈带来实质性伤害；而结构性裂缝是随着桥梁交通运行压力的逐渐加大，桥梁相关建筑结构的受力经常处于超负荷状态的情况下产生并发展的，主拱圈等结构性裂缝会随着拱桥使用期限的增加而逐渐严重，降低桥体的使用年限与整体性能。

拱肋、拱波等受力部位结构性裂缝有4种形式：一是拱波与拱肋结合面的环向裂缝，这类裂缝的产生原因主要是设计时拱肋与拱板间的连接钢筋直径太小、间距过大，无法抵抗结合面处拉力及剪力；二是拱波顶纵缝，这类裂缝主要是由设计中主拱圈的横向刚度不够、横向联系较弱，各拱肋受力分布不均匀所致；三是拱肋径向缝，由于拱肋截面尺寸设计不足，拱肋在弯矩作用下造成拱肋径向开裂；四是拱脚部位径向缝，由于桥台水平位移，拱脚部位在负弯矩作用下产生径向开裂。

1.3 拱上建筑结构发生破损

拱上建筑结构的作用是为桥梁提供一个平面，供相关车辆通行，并将桥面活载有效地传递到主拱结构，避免因活载过大导致桥体结构破坏。但从实际情况来看，由于活载传递的均衡性，拱上建筑结构无法真正将活载产生的压力全部传递给主拱结构，其自身仍要承受活载。因拱上建筑结构的承载能力远低于主拱，使拱上建筑结构出现裂缝、变形等病害。

1.4 桥面病害

在桥面施工过程中，填充材料填充厚度不均衡，导致桥面缺乏整体性，形成部分桥面沉降。随着交通运输规模的逐渐加大，通过桥梁的重型货车运输日益增长，使钢筋砼双曲拱桥固有的问题进一步加剧，加之桥梁维护技术与保养工序不正确、不及时，

桥面病害一直得不到解决。

2 粘贴钢板加固

在构件受力区域及其他设计受力较薄弱部位的表面粘贴钢板，其原理相当于提高原结构砼的含钢量，防止裂缝进一步扩大，改善原结构受力，使结构抗弯与抗剪能力得以提高。同时粘贴的钢板与结构物形成一个整体参与受力，从而提升桥梁承载力。

2.1 加固设计要点

（1）桥面加固设计要点。拆除原桥面铺装，铺筑1 cm厚C40钢筋水泥砼桥面铺装，提高桥面整体受力能力。

（2）主拱部位加固设计要点。在拱座与其他部位的裂缝处浇灌环氧树脂，将钢板粘贴于拱肋底面及两侧，提升桥梁承载力，增强横隔板的横向联系，使主拱圈抗扭刚度、结构整体性得到提高。将拱背的1／4截面至拱脚处填平，铺筑15 cm左右C25砼，增强拱背的强度。对拱背的裂缝进行修补，提高拱背抗拉强度。

（3）腹拱加固设计要点。更换已严重破坏的腹拱圈，破坏不严重的予以修补，避免裂缝扩大。将拱上的填料清除干净，换填C15砼，预防桥面、侧墙再次变形。对已破损的侧墙进行修复，增设排水设施，将截水沟修建于桥台西桥头侧。

2.2 施工方法

2.2.1 粘贴钢板加固的主要类型

粘贴钢板加固法主要针对双曲拱桥的拱肋和拱脚，拱肋加固分为肋底板加固、底板与两侧侧板粘贴钢板加固（见图1），拱脚加固是将钢板粘贴在拱脚或在拱脚处焊接角钢（见图2）。

图1 拱肋粘贴钢板加固

图2 拱脚粘贴钢板加固

（1）拱肋径向裂缝加固。根据该桥情况，在原拱肋的底面和两个侧面粘贴钢板，使拱肋形成三侧加固［见图1（b）］。拱肋底面粘贴8 mm补强钢板，两侧粘贴10 mm补强钢板。

（2）拱脚环向裂缝加固。先将钢板粘贴在拱肋的底面与侧面的三侧，在此基础上，选择（160×160 ×20）mm型角钢，角钢一侧与粘贴在拱肋上的钢板焊接，另一侧粘贴在墩台上，然后用φ35×300锚杆锚固。

2.2.2 粘贴钢板法施工流程

（1）钢板加工制作。按照施工设计图纸对钢板进行加工，清除表面的污物、锈蚀，必要时应用工业丙酮进行擦洗，并进行打磨处理。

（2）原结构砼的处理。清除已松散、破碎的砼，将原结构砼凿平、凿毛，并用高压水枪冲洗干净。

（3）粘贴钢板。把环氧树脂涂抹在钢板表面与砼上，涂抹2遍，将环氧树脂砂浆铺在钢板上。随后在砼表面粘贴钢板，将螺丝旋紧后加压，待环氧树脂砂浆固化后，卸除螺帽，截除露在外面的螺丝杆。

（4）钢板粘贴效果检查。用木锤对各处进行敲打，若砼表面与钢板之间存在缝隙，则注入胶结剂进行补贴。

（5）防护处理。把环氧树脂薄浆涂抹于钢板表面后，涂刷防锈漆，涂刷2遍。

3 加固效果评价

利用有限元软件，对加固前后桥梁受力情况进行计算，以此为依据对加固效果进行判定。

3.1 加固前后承载能力

该桥加固前后主拱圈拱脚截面、1／4跨截面与拱顶截面受力计算结果见表1。

从表1可看出：在公路-Ⅱ级荷载作用中，原桥拱脚截面不能满足承载力要求；实施粘贴钢板加固后，主拱圈各截面都可满足承载力要求，加固后桥梁承载能力明显提高。

3.2 现场成桥动载试验结果

加固前后自振频率对比见表2，加固后动挠度检测结果见表3。

从表2来看，该桥加固后的自振频率实测值均大于加固前，经粘贴钢板加固后结构动力刚度得到提高。从表3来看，加固后桥梁动挠度实测值满足规范要求，桥梁动力性能良好。

表1 桥梁加固前后承载能力对比

表2 桥梁加固前后自振频率实测值

表3 桥梁加固后动挠度实测值

4 结语

钢筋砼双曲拱桥病害分析是一个较复杂的过程，需对照原桥梁的施工设计图纸及检测数据进行分析，判断病害产生原因。茶市大桥的应用结果表明，对于钢筋砼双曲拱桥拱肋及拱脚等受力部位的病害，采用粘贴钢板法进行维修加固效果显著。该方法既不减小桥梁净空，也不中断交通，能大大改善桥梁的受力情况，使其结构受力更加合理，且施工简单、成本较低。特别是对于多跨双曲拱桥，拆除老桥重建新桥造价高昂、施工周期长，而采用粘贴钢板法进行维修加固，既节省造价，又减少交通压力，经济效益和社会效益显著，值得大力推广。

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