某刚架拱桥的加固方案及效果分析

黄庆祥

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)



某刚架拱桥的加固方案及效果分析

黄庆祥

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)

基于刚架拱桥的结构特点和传力机理，在分析某刚架拱桥典型病害的基础上，针对其横向联系薄弱、提载潜力小等问题，提出采用增大截面法对边拱肋进行加固补强、增设横向联系并辅以预应力技术加强桥梁横向联结的诊治方案，提高整体刚度。实桥荷载试验表明，该方案加固效果良好。为今后同类在役桥梁的维修加固设计提供参考和借鉴。

刚架拱桥；增大截面；预应力技术；维修加固

刚架拱桥是结合桁架拱、双曲拱、斜腿刚构等桥型演变而来的结构，属于高次超静定的空间受力承载体系，具有构件少、易施工、造型优美、经济效益显著等特点，在我国20世纪八九十年代被广泛应用[1-4]。然而，受当时技术条件限制，结构本身提载潜力小[5]，伴随重型车辆迅猛增加，大量在役刚架拱桥经过多年运营后均产生了不同程度的损坏。

本文在剖析某在役刚架拱桥病害的基础上，提出增大边拱肋截面、新增横向联系并辅以预应力技术的处治方案，旨在为今后同类型桥梁的维修加固设计提供参考和借鉴。

1 桥梁概况

某桥全长535 m, 桥面净宽12 m(行车道)+2× 2 m(人行道)。上部结构为12×40 m刚架拱桥，矢跨比为1/10，横向设置5片拱肋。下部结构为混凝土实体式墩，桥台为重力式U型桥台，基础为扩大基础。设计汽车荷载为汽-20级，挂-100级；人群荷载为350 kg/m2。桥梁总体立面图如图1所示。

2 典型病害及其因素分析

2.1 典型病害

边拱肋跨中出现下沉迹象；全桥横向联系存在严重的混凝土脱落、露筋和钢筋锈蚀等现象；部分微弯板底部混凝土剥落、钢筋外露且伴有锈蚀；桥面铺装局部出现横向裂缝、破损等。静动载试验表明，桥梁实测应变和挠度值均大于理论计算值，桥梁整体刚度偏小。

2.2 原因分析

2.2.1 设计因素

鉴于当时设计理念及追求经济效益的考虑，刚架拱桥普遍采用小尺寸构件、低配筋率，造成桥梁超载潜力小、结构安全性储备不足。此外，各拱肋仅通过横向联系连接，一旦桥梁处于损伤状态，易导致拱肋横向刚度不足，使得各拱肋贡献不协调，甚至出现“单拱肋受力”现象。

2.2.2 施工因素

该刚架拱桥采用“工厂预制，现场拼装”的施工工法，构件的整合对施工精度提出了较高的要求。检测过程中发现在大、小节点及拱肋跨中湿接头接合处，均存在竖向或环向裂缝，这可能是焊接质量和后浇带施工质量控制不严格导致。

2.2.3 运营因素

原结构设计技术标准较低[6]，与现今迅猛增加的交通量不匹配，且该桥为当地主要货运车道，大车、重车多，超载现象频繁，使得桥梁更加容易受损。

3 加固方案

3.1 总体加固思路

针对刚架拱桥结构的传力特点，本次加固以提高桥梁纵横向刚度为主线，兼顾桥梁耐久性问题。加固着重提高关键构件的承载力，同时增加桥梁的横向联系以提高桥梁结构的整体性，从而提高桥梁结构的整体承载力。加固方案总体布置如图2所示。

3.2 加固措施

3.2.1 拱肋的加固

计算结果表明，在移动荷载作用下，边拱肋受力较其他拱肋大，存在较多径向裂缝，因此着重于边拱肋的强度加固。基于增大截面法外包混凝土15 cm并配合植筋技术加固两侧边拱肋。实腹段在拱肋底面和侧面增大截面形成马蹄形加固，拱腿、斜撑四面现浇混凝土。施工前需对原拱肋线形进行复测，复测成果是底膜板标高放样的重要依据。

3.2.2 横系梁加固

基于“刚性横梁法原理”，在原有横系梁旁新增横向联系，与原桥横系梁、拱肋共同受力，加固示意图如图3所示。新增横系梁采用预应力混凝土结构的形式。预应力穿孔尺寸应严格设计，避免对原结构产生过大扰动。预应力钢筋张拉控制应力约为其设计强度的20%，预应力张拉应在横梁加固前进行，上下2根钢筋同时进行张拉，必要时可以在肋间设置型钢以支撑。预应力穿孔及张拉必须逐个断面进行，即完成一个断面上下缘的预应力束施工后，再进行下一个断面的预应力施工，待整孔的预应力钢筋全部施工完成后，再进行横向联系的施工，施工加载程序需按照均衡对称加载的总原则进行。

3.2.3 桥面系改造

拆除原桥面系，包括桥面铺装、人行道和栏杆等。在拆除过程中不得损害原桥微弯板及拱肋。待实腹段、拱腿和斜撑加固及横系梁加固混凝土浇筑完成后，重新铺设防水层，进行桥面铺装、栏杆安装，以改善行车条件。

3.2.4 其他构件的维修养护

对于宽度小于0.15 mm的裂缝，直接封闭裂缝处理；对于宽度大于0.15 mm的裂缝进行灌浆处理。混凝土表面缺陷采用聚合物砂浆进行修补。

4 荷载试验验证

为验证本加固方案的实施效果，进行了桥梁动载试验。全桥共设8个控制截面，即跨中、8#抗推墩、11#墩墩顶截面，控制截面如图4所示，分10 个荷载工况分别进行加载试验。全桥共设12个竖向振动测点(不含激励拾振器)，分别布置在每跨的跨中及L/4、3L/4截面处，以对桥梁结构的模态参数和结构振型进行测算。

主要控制截面最大挠度及残余变形结果见表1，部分裂缝监测结果见表2。

试验结果表明：①各工况下实测控制截面竖向位移与理论值的比值均小于1.0，竖向刚度满足设计和使用要求；②各工况下，卸载后结构的残余变形较小，结构处于弹性工作状态；③实测一阶频率为4.64 Hz，高于理论计算值3.65 Hz，加固后实桥结构的整体刚度满足设计要求。

表1 主要控制截面最大挠度及残余变形结果

表2 部分裂缝监测结果

5 结束语

本文从设计、施工、运营三方面分析了某刚架拱的病害产生机理。采用边拱肋增大截面，增设横梁并施加预应力等方案可以显著提升桥梁纵、横向刚度，并通过荷载试验得到了验证。该方案可推广到类似桥梁病害的维修加固设计中。

[1] 娄有原.刚架拱桥的发展与推广[J].公路交通科技,1989,6(4):33-38.

[2] 姜秀娟,武俊彦,卢伟,等.刚架拱桥加固效果浅析[J].公路交通科技(应用技术版),2014(1)：43-45.

[3] 周新平,宗雪梅.刚架拱桥荷载横向分布系数研究[J].郑州大学学报(工学版),2007,28(2):101-104.

[4] 张凯,李宇,周燕.刚架拱桥力学性能分析[J].郑州大学学报(工学版),2008,29(4)：106-110.

[5] 李晓鸣,曹人清,何聪.刚架拱危桥加固提载设计[J].公路,2016(11):136-140.

[6] 中华人民共和国交通运输部.JTJ D60-2015公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社,2015.

(责任编辑 吴鸿霞)

Reinforcement Scheme and Effect Analysis of a Rigid Frame Aarch Bridge

HuangQingxiang

(Shanxi Transportation Research Institute,Taiyuan Shanxi 030006)

Based on the structural characteristics and force transfer mechanism of rigid frame arch bridge and the analysis of the typical disease of a rigid frame arch bridge,a reinforcement acheme including reinforcing the side arch rib t,adding lateral contact with prestressed technology to strengthen the treatment of bridge transverse connection and improving the overall stiffness by enlarging section method has been put forward to solve the problems of weak horizontal linkages and increasing load potential.The results show that the reinforcement effect is good,which provides reference for the maintenance and reinforcement design of similar bridges in service in the future.

rigid frame arch bridge;enlarged section;prestress technology;maintenance and reinforcement

2017-01-09

黄庆祥，工程师，本科。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.03.013

U445.7+2

A

2095-4565(2017)03-0056-03