既有钢筋混凝土刚架拱桥承载能力评定与加固

赖苍林

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



既有钢筋混凝土刚架拱桥承载能力评定与加固

赖苍林

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

以一座钢筋混凝土刚架拱桥为工程背景，通过桥梁结构检测与技术状况检查、静载试验、承载力检算等方法，对桥梁状况进行了评估，结果表明，该桥的技术状况等级为四类，主要构件有大的缺损，严重影响桥梁使用功能或承载能力，不能保证正常使用。拱脚承载能力不满足要求。针对此刚架拱桥构件承载力不足、构件间连接弱、结构整体性差，变形较大的问题，提出若干加固措施，以提高承载力和增强整体性。

刚架拱桥；桥梁加固；桥梁静载试验；承载力评定

0 引言

刚架拱桥属于轻型拱桥，曾因具有构件少、自重轻、节省材料、施工简便、造型美观等优点而在我国得到了较广泛的应用[1]。但由于早期的设计水平和荷载标准偏低，且此类拱桥整体性较差、横向稳定性往往不足、变形较大，容易导致拱肋产生较大挠度并使得主拱片、横系梁、微弯板等构件开裂，影响桥梁的正常使用和行车安全[2-3]。因此，需对可能存在安全隐患的刚架拱桥进行承载力评估和维修加固，以求在满足经济性要求前提下提高桥梁的承载能力。实践中通过在桥上施加车辆荷载，实测桥梁的挠度、应变等参数，根据规范检算评价拱桥的实际承载力是否满足要求。若评估表明，拱桥的承载能力和整体刚度不满足设计荷载的要求，则可以通过加固的方式来提高桥梁承载力和可靠性[4-5]。常用的加固方法有桥面补强层加固法、增强横向联系加固法、拱肋增大截面法、体外预应力加固法、喷锚混凝土加固法、粘贴碳纤维布或钢板加固法等[6]。

本文以一座钢筋混凝土刚架拱桥为工程背景，首先通过外观检查发现拱桥在长期运营后发生的病害，并进行结构实体检测，然后基于静载试验实测桥跨的挠度、应变等，根据规范检算评定了桥梁的承载能力，最后针对该桥承载力不足和既有病害的问题，提出维修加固方案。本文所述的相关过程和方法可为同类刚架拱桥的检测评估及维修加固提供借鉴作用。

1 工程概况

某钢筋混凝土刚架拱桥，全长59.6m，宽21m，上部结构为净跨3m的钢筋混凝土矮肋板梁+净跨50m钢筋混凝土刚架拱+净跨3m钢筋混凝土矮肋板梁，横向布设7片间距3.2m的刚架拱片。桥面铺装连续，两侧桥头各设置了简易伸缩缝。桥面板为矢跨比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。桥梁布置图如图1～图2所示。为配合城镇道路改造，需在桥面上加铺10cm沥青路面。考虑到旧桥经过长期运营，已出现一些病害，可能存在承载力不足的情况，需评价该桥梁实际承载力和整体刚度。若不符合要求，则需要进行加固处理，加固后的桥梁应能满足公路-Ⅱ级、人群3.5kN/m2(加铺10cm沥青混凝土铺装层)荷载等级的使用要求。

2 结构检测与技术状况评定

对刚架拱桥进行了外观检查，发现该桥存在的主要病害有：①桥面较大面积坑洞、露筋损坏，微弯板普遍开裂；②人行道破损和路缘石缺失；③拱肋蜂窝麻面，拱脚露筋锈蚀，横系梁混凝土剥落；④横系梁、拱脚、拱肋跨中实腹段及大小节点附近弦杆段存在较多裂缝，部分裂缝超过规范限值0.25mm。根据《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011)[7]，采用分层综合评定与5类桥梁单项控制指标相结合的方法对桥梁进行技术状况等级评定，即先对桥梁各构件进行评定，然后对桥梁各部件进行评定，再对桥面系、上部结构和下部结构分别进行评定，最后进行桥梁总体技术状况的评定。经评定，该桥的总体技术状况评分为57.88，技术状况等级评定为四类，即主要构件有大的缺损，严重影响桥梁使用功能或承载能力，不能保证正常使用。

此外，对桥梁进行结构实体检测。现场抽取部分刚架拱片的拱腿、斜撑、弦杆段，采用回弹法进行现龄期混凝土强度检测，检测结果表明，所检部位混凝土强度满足原设计强度等级C30要求。所抽检构件的钢筋分布符合原设计图纸要求。同时检测发现，拱脚顶部钢筋保护层较规范要求值偏小，拱脚区域有锈蚀活动性，但锈蚀状态不确定，可能坑蚀。

3 静力荷载试验

3.1 试验概况

本次刚架拱桥静载试验分2个工况进行，试验加载车辆的布置根据各控制截面在公路-Ⅱ级，人群3.5kN/m2(考虑了10cm沥青铺装层)作用下的最不利效应值，按照内力等效原则计算而得。试验采用5部三轴载重汽车进行加载，使得静载试验荷载效率 为0.95～1.02，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)[8]的要求。各工况内容如表1所示。

图1 桥立面布置图(单位：cm)

图2 桥横断面布置图(单位：cm)

工况内容量测内容设计理论值试验理论值荷载效率工况一右偏加载跨中最大正弯矩(kN.m)节点最大负弯矩(kN.m)拱腿最大轴力(kN)拱片位移,应变、裂缝2002011.01-533-5421.02-1324-12850.97工况二居中加载跨中最大正弯矩(kN.m)节点最大负弯矩(kN.m)拱腿最大轴力(kN)拱片位移,应变、裂缝2001980.99-533-5140.96-1324-12580.95

3.2 试验结果

工况1测试结果表明，所检控制截面应变校验系数在0.67～0.86之间，最大相对残余应变为16.87%；所检控制截面挠度校验系数在0.78～0.94之间，最大相对残余变形为17.34%。

工况2测试结果表明，所检控制截面应变校验系数在0.74～0.94之间，最大相对残余应变为18.00%，所检控制截面挠度校验系数在0.64～0.93之间，最大相对残余变形为19.68%。

试验过程中，对已有跨中拱肋裂缝进行观测：初始缝宽0.15mm，工况1满载下缝宽0.19mm，工况2满载下缝宽0.20mm，退载后缝宽0.16mm。拱肋未发现新增裂缝，其余部件工作状况未见明显异常。

4 刚架拱桥承载力检算

4.1 空间有限元分析模型

采用MIDAS/Civil有限元软件建立刚架拱桥空间有限元模型。弦杆、实腹段、拱腿、斜撑和横系梁都采用梁单元模拟，拱腿与弦杆、实腹段采用刚性连接，斜撑与弦杆采用刚性连接，横系梁的两端也采用刚性连接，弦杆支座简支约束，拱腿和斜撑支座固结约束。微弯板和桥面板采用一定厚度的板单元模拟，即板单元与刚架拱片共同承受荷载作用。结合参数分析，并根据静载试验挠度横向分布实测数据，采用对横系梁刚度适当折减的方法对有限元模型进行修正，来考虑横系梁开裂刚度下降对刚架桥各拱片内力的影响。模型所采用的材料参数根据实测结果，按现行规范取值，模型如图3所示。

图3 刚架拱桥有限元模型

4.2 承载能力检算分析

(1)分项检算系数的确定

基于上述荷载试验结果，主要控制截面挠度测点的校验系数为0.64～0.94，根据检测评定规程[8]的规定，确定检算系数Z2为0.98。本次检算时直接用承载能力检算系数Z2进行。

根据桥梁缺陷状况、材质状况与状态参数检测结果，恶化状况评定标度E为1.87，线性内插计算得到配筋混凝土桥梁结构或构件恶化系数ξe为0.02；结构构件截面折减系数ξc为1.00，钢筋截面折减系数ξs为0.98。

(2)承载能力检算结果

根据检测评定规程[8]，当缺乏施工技术资料时，混凝土收缩产生的内力计算可等效为温度额外降低引起的拱圈内力。检算时考虑刚架拱为节段预制安装，收缩影响按相当于降温15℃进行计算。其余荷载计算及组合按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)[9]进行，主要的基本组合如下：

组合Ⅰ=1.2恒+1.4车辆+1.12人群+1.0砼收缩(-15℃)

组合Ⅱ= 1.2恒+1.4车辆+0.98人群+1.0砼收缩(-15℃)+0.98年温差(-17℃)

组合Ⅱ= 1.2恒+1.4车辆+0.98人群+1.0砼收缩(-15℃)+0.98年温差(+17℃)

按上述组合对该桥进行承载能力检算，结果如表3所示。结果表明，拱脚截面承载能力不满足公路-Ⅱ级、人群3.5kN/ m2(考虑10cm沥青铺装层)的荷载使用要求。

5 加固方案

由于该刚架拱无法满足公路-Ⅱ级、人群3.5kN/m2(考虑10cm沥青铺装层)的荷载要求，针对该桥梁存在构件承载力不足，构件间连接弱、结构整体性差、变形较大的问题，制定专项加固维修方案，主要如下：

(1)拱肋跨中两侧各10m的范围内，拱肋下缘粘贴10mm厚U型钢板，加配6mm厚U型压条。拱肋大节点两侧粘贴10mm厚整体大钢板。横系梁采用6mm厚整体钢板加固，以增强横向刚度。粘贴钢板采用环氧树脂化学灌浆湿式外包钢法施工。

(2)将拱腿2.5m范围内进行外包混凝土加大截面，拱腿顶面与侧面增加15cm厚混凝土，顶面加配6根25受力钢筋。

(3)针对拱肋弦杆开裂严重，采用粘贴6mm厚钢板条方法进行加固。

(4)针对微弯板普遍破损、开裂严重，加劲肋开裂严重的情况，更换全桥微弯板，同时加强桥面钢筋，更换铺装层。

(5)为配合道路改造工程，铺设10cm沥青混凝土铺装层，根据铺设沥青面层的标高，更换伸缩缝，采用TST无缝伸缩缝。

(6)凿除所有剥落、疏松、腐蚀的劣化混凝土，先对外露锈蚀钢筋除锈，然后用丙乳砂浆修补。

(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，其余一律在进行裂缝的灌浆过程中一并封闭。

在上述MIDAS/Civil有限元模型中，假设加固后新旧材料协调工作良好，直接更改经加固后的构件的相关截面参数，其中，粘钢加固后的混凝土构件按抗弯惯性矩等代换算为混凝土截面的方式进行等效。加固前后模型进行内力计算比较，表2为加固前后挠度计算结果，表3为加固前后各关键截面的强度计算结果。计算结果表明，该加固设计方案对桥梁的薄弱环节进行加强，有效地提高了桥梁整体刚度和承载能力，增加了安全储备。

表2 加固前后汽车荷载作用下拱肋结构变形

表3 最不利荷载组合下拱肋关键截面承载能力检算结果

注:①Nj、Mj:指截面内力；NR、MR:指截面抗力。②加固前后的截面抗力采用现行设计规范计算得到。

6 结语

通过对一座既有钢筋混凝土刚架拱桥承载能力检测评定与维修加固设计案例的介绍，总结如下：

(1)既有刚架拱桥的实际承载能力，应基于现状结构检测、技术状况检查和荷载试验等实测结果，根据规范进行评估，评估结果认为：该刚架拱桥的承载能力不满足按照公路-Ⅱ级、人群3.5kN/m2(考虑10cm沥青铺装层)荷载要求，桥梁的技术状况等级为四类，严重影响桥梁承载能力，不能保证正常使用。

(2)针对该刚架拱桥的构件承载力不足、构件间连接弱、结构整体性差、变形较大的问题，采取对拱肋、拱肋节点和横系梁等部位粘贴钢板，拱腿外包混凝土加大截面等的补强方案，可提供桥梁承载力并增强整体性；建议加固完成后进行桥梁静动载试验，进一步验证加固补强效果。

(3)本文所述相关过程和方法可为既有刚架拱桥的承载力评定和加固设计提供参考。

[1] 顾安邦，孙国柱.拱桥(下册)[M].北京：人民交通出版社，1996.

[2] 吴鉴军，莫宁，徐永峰.刚架拱桥的病害原因与加固分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2008，33(z1):61-63.

[3] 李枝军，李爱群，缪长青.刚架拱桥病害与损伤识别的动力学研究[J].振动、测试与诊断，2008，28(4):387-389.

[4] 张开鹏，蒋玉龙，曾雪.桥梁加固的发展与展望[J].公路，2005(8):299-301.

[5] 项贻强，杨万里，潘仁泉，等.拱索体系加固的刚架拱桥荷载横向分布[J].中国公路学报，2007，20(4):91-95.

[6] 路飞，彭程，常见桥梁加固方式的分析比较与应用研究[J].公路,2013(10):121-123.

[7] 交通运输部公路科学研究院.公路桥梁技术状况评定标准[S].北京：人民交通出版社,2011.

[8] 交通运输部公路科学研究院.公路桥梁承载能力检测评定规程[S].北京：人民交通出版社,2011.

[9] 中交公路规划设计院.公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社.2004.

Bearing Capacity Evaluation and Reinforcement for the Existing Reinforced Concrete Rigid Arch Bridge

LAICanglin

(Fujian Academy of Building Research, Fujian Key Laboratory of Green Building Technology,Fuzhou 350025)

A reinforced concrete rigid arch bridge is selected as the sample of the required engineering background.Based on the bridge routine detection , static testing and load capacity evaluation, the condition of required engineering bridge was evaluated.It can be concluded that the main components have large defects, the load capacity of bridge is severely weakened which can not be normally used.The technical grade of the bridge is 4 grade.It has been found that the connections among the components were weak resulting in relatively poor structural integrity, inadequate longitudinal rigidity and large deformations.Due to these drawbacks, all the arch ribs and springing together with the straining beams were reinforced by means of bonding steel plates after sealing the detected cracks.The integrity and bearing capacity of the arch bridge can be highly improved in order to meet the requirement of the new design loads.

Rigid-framed Arch Bridge; Bridge Strengthening; Static Testing; Bearing Capacity evaluation

赖苍林(1980.1- )，男，高级工程师。

E-mail:34874311@qq.com

2017-04-10

U448.22

A

1004-6135(2017)08-0081-04