下承式預(yù)應(yīng)力桁架拱橋加固改造研究

劉 洋，王 楠

（中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，武漢 430040）

桁架拱橋是繼雙曲拱橋之后發(fā)展起來的一種拱式結(jié)構(gòu)，它具有外形美觀、造價低廉、施工簡便、節(jié)省材料等優(yōu)點，我國在上世紀(jì)六七十年代修建了大量的桁架拱橋。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和交通運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，交通量與載重量不斷增加，加上當(dāng)時設(shè)計與施工經(jīng)驗的先天缺陷，營運多年的桁架拱橋出現(xiàn)了不同程度的病害，從而衍生出了對桁架拱橋加固方法的討論。

1 桁架拱橋加固改造的研究現(xiàn)狀

從目前國內(nèi)外對桁架拱橋加固改造的文獻(xiàn)來看，桁架拱橋的病害主要集中在上部結(jié)構(gòu)，即主拱圈、下弦桿、腹桿、系梁等，其主要加固方法有3種：

1）鑿除原桿件鋼筋混凝土保護(hù)層，澆筑鋼筋混凝土補強截面，新舊截面依靠鋼筋和混凝土緊密連接［1－2］；

2）粘貼鋼板或碳纖維布進(jìn)行加固補強［3］；

3）預(yù)制好補強桿件，再用電焊焊接鋼板與原桿件相連，形成一個整體，共同受力［4－5］。

上述桁架拱橋的加固改造，均是針對上承式或中承式桁架拱橋病害特點提出的加固方法，而下承式桁架拱橋的加固改造卻未見報道，該文結(jié)合某大橋的工程實例，對下承式桁架拱橋的加固改造進(jìn)行了論述，以期起到拋磚引玉的作用。

2 下承式桁架拱橋病害類型及原因分析

下承式預(yù)應(yīng)力混凝土桁架拱橋是一種無推力的拱式組合體系橋（圖1），為外部靜定、內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)，有混凝土桁架梁的特點，又兼有系桿拱的優(yōu)點。這種橋型由拱肋、系梁、橫梁、橫撐、豎桿、斜撐、行車道梁、橋面系和墩臺基礎(chǔ)等組成。當(dāng)橋面高程受到限制，地質(zhì)條件不良，而橋下又要求保證較大的凈空時，下承式預(yù)應(yīng)力混凝土桁架拱橋是不錯的選擇方案。

下承式預(yù)應(yīng)力桁架拱橋的力學(xué)性能和材料指標(biāo)優(yōu)于同等設(shè)計條件的單一結(jié)構(gòu)體系，其特點是將主要承受壓力的拱肋和主要承受彎矩的行車道板組合起來共同承受荷載，充分發(fā)揮組合結(jié)構(gòu)中的各種構(gòu)件的優(yōu)點。

下承式預(yù)應(yīng)力桁架拱橋因其自身特有的結(jié)構(gòu)特點，其上部結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件常見病害及成因分析如下：

1）拱肋拱軸線變形：拱肋出現(xiàn)裂縫，混凝土剝落，碳化嚴(yán)重，露筋或鋼筋銹蝕，致使拱軸線變形。

2）預(yù)應(yīng)力系梁開裂：系梁產(chǎn)生裂縫，鋼鉸線銹蝕加劇預(yù)應(yīng)力損失，致使負(fù)荷大于其承載能力。

3）橫梁露筋或鋼筋銹蝕：橫梁端節(jié)點受力過大，產(chǎn)生裂縫，致使露筋或鋼筋銹蝕。

4）豎桿開裂：豎桿安裝不當(dāng)或者防護(hù)失效使鋼鉸線銹蝕或錨具作用發(fā)揮失常等導(dǎo)致豎桿開裂。

5）斜撐露筋或鋼筋銹蝕：斜撐受力不均而產(chǎn)生裂縫，致使露筋或鋼筋銹蝕。

在以上病害的綜合作用下，會導(dǎo)致橋梁的承載能力降低和剛度下降。

3 工程實例

3.1 工程概況及病害

某大橋（圖2）橋梁全長156.5m。橋梁跨徑組合為4×13m＋49m＋4×13m，主橋為下承式預(yù)應(yīng)力混凝土桁架拱橋，引橋為鋼筋混凝土空心板，橋面全寬8.35m。橋梁設(shè)計荷載：汽－15，掛－80級。該橋1997年12月建成。

根據(jù)檢測報告及現(xiàn)場核查，該橋主要病害有：1）橋梁的剛度不能滿足設(shè)計要求。2）上部結(jié)構(gòu)：主橋斜撐和豎桿均有多處露筋，表面混凝土脫落，并且有多處環(huán)繞裂縫；主拱拱腳處混凝土開裂，露筋銹蝕。3）橋面鋪裝：主橋鋪裝平順性較差，存在骨料外露現(xiàn)象。4）伸縮縫：全橋伸縮縫破壞嚴(yán)重，基本看不出有伸縮縫存在。5）欄桿、護(hù)欄：欄桿整體狀況較差，存在斷裂，缺失現(xiàn)象；欄桿混凝土開裂、露筋現(xiàn)象普遍，影響正常使用。

3.2 加固方法

1）主橋上部結(jié)構(gòu)：主橋拱肋、系梁、斜撐和豎桿的混凝土缺陷采用小石子環(huán)氧混凝土修補，對裂縫采用建筑結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行封閉。（1）拱肋：拱肋的強度和剛度不足，采用外包型鋼加固或粘貼鋼板。主拱肋上緣粘貼工字鋼或粘貼鋼板法可以對主拱結(jié)點進(jìn)行加固補強，加強組合構(gòu)件結(jié)點處的連接，提高上部結(jié)構(gòu)的整體剛度。這兩種方法可以不破壞原結(jié)構(gòu)的尺寸，施工簡單，工期短，施工質(zhì)量易控制。（2）系梁：為了提高橋梁整體承載力，可在系梁底部采用粘貼鋼板法或粘貼碳纖維加固法進(jìn)行加固。（3）斜撐：為了提高斜撐剛度，可在斜撐兩側(cè)面粘貼U 型槽鋼或是粘貼鋼板。（4）豎桿：豎桿承載力不足，可采用粘貼碳纖維布提高其承載力。

2）橋面系：修補主橋橋面鋪裝，封閉裂縫，更換欄桿為波形護(hù)欄。

3.3 上部結(jié)構(gòu)加固方案的確定

3.3.1 拱肋、斜撐加固方案比選

采用“橋梁博士”計算軟件，對全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化計算，系梁劃分60個單元，拱肋劃分54個單元，豎桿劃分56個單元，斜撐劃分24個單元，共194個單元，結(jié)構(gòu)離散圖如圖3所示。

根據(jù)加固前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，并對加固前后特殊點的撓度進(jìn)行對比，同時按照荷載等級和組合對加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力應(yīng)力、主梁極限承載力計算，判斷使用階段應(yīng)力、極限承載力及整體剛度是否符合規(guī)范要求。

主橋加固前后計算結(jié)果對比：

表1 主要節(jié)點加固前后豎向位移對比（位移向下為正）

從表1可以看出，拱肋上緣貼工字鋼和斜撐粘貼槽鋼這種加固方法產(chǎn)生的豎向位移小，加固后全橋結(jié)構(gòu)的剛度明顯增強，結(jié)構(gòu)自重作用下的跨中位移較加固前減少了14%左右，使用位移組合Ⅰ作用下的跨中位移較加固前減少了18.5%。說明粘貼型鋼能較好的提高下承式桁架拱橋上部結(jié)構(gòu)的剛度。

3.3.2 系梁加固方案比選

系梁橫截面為矩形，如圖4所示。

1）粘貼碳纖維布加固法

碳纖維布加固具有以下優(yōu)點：（1）強度高，抗拉強度約為普通鋼材的10～15倍；（2）加固后能提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性和耐久性；（3）自重輕，基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸，柔性好，易于裁剪；（4）施工簡便，不需大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料，易于操作，經(jīng)濟(jì)性好。

擬采用系梁底貼1 層碳纖維布，厚度t＝0.222 mm，經(jīng)計算彎矩組合設(shè)計值Md＝670.0kN·m，加固后正截面抗彎承載力M1＝752.1kN·m，粘貼碳纖維加固后正截面抗彎承載力大于彎矩組合設(shè)計值，加固后能滿足要求［6］。

2）粘貼鋼板加固法

使用粘貼鋼板法加固有以下優(yōu)點：（1）不會破壞被加固結(jié)構(gòu)的外形，施工質(zhì)量易于控制；（2）橋梁自重增加較小；（3）施工簡便。

擬采用系梁底粘貼厚6mm、寬250mm 的Q235鋼板加固。經(jīng)計算，加固后正截面抗彎承載力M2＝741.6kN·m，粘貼鋼板加固后正截面抗彎承載力大于彎矩組合設(shè)計值，加固后能滿足要求。

3）加固比較及分析

由計算結(jié)果可知，M1＞M2＞Md，粘貼碳纖維布的加固效果優(yōu)于粘貼6mm 厚Q235鋼板；從造價上看，每平米6mm 厚的Q235鋼板約1 250元，每平米0.222mm 厚的碳纖維布約為850元，使用碳纖維布較鋼板更為經(jīng)濟(jì)。

3.4 加固效果

該橋加固改造已于2010年5月完成，建設(shè)方在本橋加固前后做了荷載試驗進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：在拱肋上緣粘貼工字鋼，在斜撐粘貼槽鋼，在系梁底粘貼碳纖維布的綜合加固方法增大了大橋的剛度，提高了橋梁的承載力，取得了良好的加固效果。該橋至今已正常營運近3年，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

a.大橋的加固實例表明：在拱肋及斜撐粘貼型鋼，在系梁底粘貼碳纖維布的綜合加固方法能有效地增強橋梁的整體剛度，提高結(jié)構(gòu)承載力，施工方便，成本較低，且不影響橋梁在加固期間的交通暢通。總之，采用該綜合方法加固橋梁效果明顯。

b.通過對下承式預(yù)應(yīng)力混凝土桁架拱橋病害分析及加固改造，填補了以往桁架拱橋的加固只涉及到上承式或中承式桁架拱橋這一空白，使桁架拱橋的加固范圍更加全面。

［1］李福忠.桁架拱橋的常見病害與維修加固［J］.公路，2002（9）：72－74.

［2］劉國慧.桁架拱橋病害分析及維修加固措施［J］.公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2007（1）：117－119.

［3］孫小燕，莫喜晶.鋼筋混凝土桁架拱橋病害分析及加固技術(shù)［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008（11）：898－901.

［4］何柏春，沈志榮，姚海軍.桁架拱橋典型病例分析與加固處理［J］.公路交通科技，2006（3）：103－104，108.

［5］陳金順，何偉軍，方合雪.桁架拱橋的常見病害成因分析與維修加固方法［J］.公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2007（6）：114－116.

［6］單成林.舊橋加固設(shè)計原理及計算示例［M］.北京：人民交通出版社，2007.