钢筋混凝土钢架拱旧桥加固设计——以广东省农村公路危桥改造建设总承包项目江口旧桥加固为例

邱明亮

广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507

1 工程概述

广东省农村公路危桥改造建设总承包项目是2019年广东省“十件民生实事”工程之一，是省政府督办的重点项目。该项目包含湛江、茂名、阳江、云浮、肇庆、清远、惠州7市，该片区共计175座危桥，含大桥10座，中桥46座，小桥119座。此次加固桥梁位于高要区南岸镇东面，是原省道S272线上的一座大桥，建于1989年，目前该桥已经限载通行。桥梁全长284.91m，桥面全宽15.7m，桥宽组合为（4×3.3）m行车道+（2×1.25）m人行道，桥面两侧设混凝土护栏，双向横坡为1.5%。

桥梁上部结构采用（4×60）m钢筋混凝土刚架拱，矢高比为1∶8，主拱有5片拱肋，每片主拱肋两侧各有1个次拱腿。拱肋之间由横系梁连接，全桥共有320个横系梁。下部构造及基础：南岸台和金渡台均设前台及后台，前台均为混凝土实体台，后台分别为浆砌片石U型台及轻型桥台，南岸台基础为钻孔灌注群桩基础，金渡台为扩大基础。设计洪水频率为1/100，航道标准为Ⅵ级。汽车设计荷载为汽-20、挂-100。

2 桥梁的主要病害

2017年11月22日江口旧桥检测报告的结论：江口大桥技术状况评定为4类，桥梁处于不合格状态，应进行中修或大修工程，主要病害如下。

（1）桥面铺装整体磨耗严重，桥头搭板多处横向、纵向开裂。

（2）大部分拱肋有竖向和斜向裂缝，个别裂缝宽度达到0.25mm，个别拱肋局部存在麻面露筋、蜂窝露筋。

（3）大部分横系梁两侧存在竖向和斜向裂缝，底部有横向裂缝。

（4）桥面板大部分微弯板存在多处裂缝，个别微弯板局部泛白，露筋锈蚀，盐析结晶；大部分拱肋在5#横系梁与15#横系梁间有多处竖向和斜向裂缝，个别裂缝宽度达到0.25mm；个别拱肋局部存在麻面露筋、蜂窝露筋。动静载试验表明结构强度及刚度不满足汽-20级荷载等级使用要求。

（5）个别桥墩有水侵蚀，墩底有冲刷现象。

3 加固方案拟定

桥梁加固应结合旧桥工程地质水文等建设条件，充分分析旧桥下部及基础、上部结构技术状况，尽量利用现有条件。加固方案应遵循因地制宜、方便施工、经济适用的原则。由于该桥主要部件拱肋、桥面板、横系梁均存在较多受力裂缝，根据病害分析和设计检算结果采取相应的加固措施。该桥刚构拱拱片及横系梁采用外包钢筋混凝土增加截面加固。此方法不但能提高构件的承载力，而且植筋施工方便，钢筋防腐能满足要求。

加固原则：活载由原设计汽-20，调整为现行规范的公路-Ⅱ级；其他设计标准和规范维持旧桥旧标准。

旧桥主要维修加固措施如下：拱片外包钢筋混凝土增大截面加固；拱肋间横系梁外包钢筋混凝土增大截面加固；桥面铺装凿除重铺；桥头搭板重做；桥梁结构表面混凝土破损修复；桥梁结构裂缝处理，对宽度小于0.1mm的裂缝进行封闭处理，对宽度不小于0.1mm的裂缝进行灌缝处理。

此次加固设计采用的标准基本得当，技术方案基本可行。针对旧桥的具体病害和病因分析，结合相关计算分析，文章提出的加固方案合理，具有针对性。

4 钢架拱加固设计

4.1 加固方案具体内容

根据拟定的加固方案，具体内容如下。

（1）采用增大截面法加固拱肋，拱肋腹板宽增大至12.5cm，同时底缘截面宽增大至15cm，拱脚处上缘截面宽增大至10cm。

（2）重新浇筑20cm厚的桥面板和10cm厚的混凝土桥面铺装。

（3）考虑桥面板与整体化层参与拱肋联合受力，整体化层在弦杆支点上缘配置12根直径为25mm的钢筋。

4.2 有限元模型建立

采用空间杆系有限元软件Midas Civil对旧桥进行计算，结合施工方案及构造特征，考虑连拱效应，建立单片拱有限元模型，主拱横向分布系数为0.684。

4.3 极限状态验算

（1）承载能力极限状态验算。按照相关规范进行主拱承载能力极限状态内力组合。考虑普通钢筋的作用，得到结构内力及抗弯承载力。控制截面压弯、纯弯构件验算表分别如表1、表2所示。

表1 控制截面压弯构件验算表

表2 控制截面纯弯构件验算表

（2）正常使用极限状态验算。①使用阶段裂缝验算。按照相关规范进行正常使用极限状态验算，钢筋混凝土构件应考虑长期效应的影响验算裂缝宽度。根据旧桥所在地理位置，该桥所处环境类别为Ⅰ类，其最大裂缝宽度均需满足Wcr≤0.2mm。按照相关规范进行主拱正常使用极限状态内力组合，加固后刚架拱桥的裂缝验算满足规范要求，验算结果如表3所示。②变形验算。拱桥活载作用下的最大竖向挠度（正负挠度绝对值之和）不应大于L/800，L为计算跨径，经验算拱肋刚度满足相关规范要求。

表3 加固后刚架拱桥的裂缝验算表

5 结论

（1）将汽车荷载提高至公路-Ⅱ级后，经各种验算可知，构件满足相关规范要求，承载能力控制部位、裂缝控制部位及刚度也满足相关规范要求。

（2）承载能力的验算中，考虑旧桥的承载能力折减（折减系数取0.95）后，承载能力能满足相关规范要求。拱腿上缘截面增大，拱腿的承载能力满足相关规范要求。拱肋两侧加厚，同时底缘截面增大，拱肋的承载能力和限制裂缝宽度满足相关规范要求。

（3）裂缝验算中，拱脚和顶部、边弦杆跨中和支点裂缝的裂缝宽度满足相关规范要求。

（4）刚度验算中，加固后整体刚度满足相关规范要求。

文章对旧桥拱肋、桥面板进行加固和重建方案设计，通过有限元分析软件对旧桥进行加固方案的验算，验算结果表明，对于一般的刚架拱桥，对拱片及横系梁采用外包钢筋混凝土增加截面加固可使桥梁满足承载力的要求。该刚架拱桥的加固方案对类似旧桥加固方案的制订具有一定的借鉴意义。