某舊剛架拱橋病害分析及提載加固設計

2015-12-11 05:12:28鄭瑞生詹德勇黃婷婷

福建建筑 2015年7期

鄭瑞生，詹德勇，黃婷婷

(1.福建省建筑科學研究院;2.福建省綠色建筑技術重點實驗室福建福州 350025)

剛架拱橋是具有剛架特點的一種拱橋，主要承重結構由拱肋形成主拱，主拱上構件為斜腿支撐，兩者共同連接形成整體。上部結構的組成有剛架拱片、橫系梁和橋面等構件。其外形與桁架拱橋較為相似，但結構組成又比桁架拱橋簡單，整橋跨沒有豎向桿件，只有少量的斜撐，故剛架拱橋具有了桿件數量少，自重輕，材料省，對地基承載力要求比其他拱橋低，經濟指標好等優點。1978年我國江蘇無錫建成第一座以后，在全國范圍內大量修建，直到90年代初我國該類型橋梁長度達3萬多米。剛架拱橋初期的快速發展主要歸因于其造價成本低，比同跨徑的其他類型混凝土橋可降低40%的成本。但是該橋的應用初期工程技術人員對剛架橋拱橋整體性差的缺點未給予足夠的重視，橫向穩定性不足，部分剛架拱橋建成營運幾年后就成為了危橋，根據某省的一項調查顯示，該省70%的剛架拱橋營運狀況很不理想，均出現不同程度的損傷，甚至破壞無法使用的問題。目前，該類型的橋梁已基本被橋梁設計淘汰使用，或只用于人行或臨時便橋上使用。

雖然剛架拱橋現已新橋建設中淘汰使用，但是在全國范圍仍存在大量的、帶病狀態(已出現病害、損壞等)的剛架拱橋在工作營運著。許多橋梁處于繁忙的交通要道，無法進行拆除重建，而超載運輸和交通流均有日益增多的趨勢，甚至一些地方出現為配合路面白改黑改造盲目增加橋梁荷載的情況，給我國的公路、城市道路帶來極大的安全隱患。因此，對舊剛架拱橋當前的工作狀態進行調查和結構補強加固具有極其重要的意義。本文將以某舊剛架拱橋為配合白改黑工程實例，進行提載后的結構分析及加固處理技術進行分析研究。

1 工程概況

某剛架拱橋位于福建省一縣進出城口，屬國道上橋梁。橋全長59.6m，橋寬21m。上部結構:凈跨3.0m鋼筋混凝土矮肋板梁+凈跨50m鋼筋混凝土剛架拱+凈跨3.0m鋼筋混凝土矮肋板梁，主跨橫向布設7片剛架拱片，拱片間距3.2m。橋面鋪裝連續，兩側橋頭各一處簡易伸縮縫。橋面系采用矢跨比為1/16、厚6cm的微彎板及現澆混凝土填平層。橋面寬度為3.35m(人行道)+14.3m(車行道)+3.35m(人行道)。下部結構采用鋼筋混凝土組合式橋臺。

為配合道路改造工程，該橋將在橋面上直接加鋪10cm瀝青路面，同時業主要求該橋改造后能夠滿足公路－Ⅱ級、人群3.5kN/m2的荷載要求。但是該橋無設計和竣工資料，需要對橋梁進行整體進行詳細的現狀調查、分析后進行相應的處理。橋梁結構如(圖1)所示。

圖1 某橋立面圖

2 橋梁現狀調查

2.1 主要病害

1)橋面鋪裝存在大量橫向裂縫、縱向裂縫;伸縮縫不平順;人行道板、欄桿、路緣石多處破損缺失;橋面排水不暢、積水;橋頭沉降造成搭板凹陷。

2)跨中拱頂附近存在較多裂縫，大小節點附近弦桿段存在個別裂縫，所檢裂縫最大寬度測讀值為0.25mm，未超過規范限值;拱肋有露筋銹蝕現象;部分拱肋局部存在孔洞、蜂窩麻面等表觀病害，詳照片(圖2、3)。

圖2 拱肋蜂窩麻面圖

圖3 拱肋露筋銹蝕

3)微彎板存在開裂現象，主要集中于跨中附近，所檢裂縫最大寬度測讀值為0.73mm，超過規范限值;微彎板存在大量露筋銹蝕、裂縫、孔洞病害，嚴重的微彎板混凝土碎裂，導致橋面塌陷，詳照片(圖4、5)。

4)橫系梁存在較多裂縫，車行道下部橫系梁尤為嚴重，所檢裂縫最大寬度測讀值為0.72mm，超過規范限值。并有露筋銹蝕、混凝土表面蜂窩麻面、剝落現象。

5)下部結構蓋梁受水侵蝕嚴重，有較多豎向裂縫，所檢裂縫最大寬度測讀值為0.35mm，超過規范限值。

圖4 微彎板露筋銹蝕

圖5 微彎板碎裂橋面塌陷

2.2 荷載試驗

1)靜載試驗

靜載試驗按公路－Ⅱ級(考慮10cm瀝青鋪裝層)荷載等級進行，靜載試驗荷載效率為0.86～1.01;在各工況荷載作用下，控制截面應變校驗系數在0.14～0.94之間，滿足校驗系數小于1.00的要求;所測測點的最大相對殘余應變小于殘余應變限值要求(20%);在各工況荷載作用下，各控制截面撓度校驗系數在0.39～0.94之間，滿足校驗系數小于1.00的要求;所測測點中的主要測點相對殘余變形基本滿足的殘余變形限值要求(限值20%)。

2)環境振動試驗

實測振動響應信號經試驗模態分析，該橋豎向實測基頻為5.00Hz，理論基頻為3.07Hz，實測基頻大于理論值，表明現狀橋梁實際剛度較大。

3)橋梁承載力評定結果

根據橋梁缺陷狀況檢測結果、材質狀況與狀態參數檢測結果和荷載試驗結果對橋梁承載能力進行核算，該橋承載能力不滿足公路－Ⅱ級、人群3.5kN/m2(加鋪10cm瀝青鋪裝層)荷載等級的使用要求。

3 結構計算分析

為了解橋梁結構提載后受力情況，本工程結構分析采用橋博3.0程序建立平面桿系模型分別對邊拱肋和中拱肋進行計算。單片拱肋劃分為70個單位，其中三角剛架區24個單位，橋面單元為46個單位，拱角采用完全固結，邊支點采用豎向支撐，縱向滑動約束。拱肋離散如下(圖6)所示。

圖6 結構離散圖

4 病害原因分析

近幾年該地區交通量急劇增加，該剛架拱橋經過長時間運營，構件混凝土的開裂呈普遍現象，裂縫的產生有著各種各樣的原因，內部和外部不同原因的裂縫和不同類別的裂縫對結構的安全性和耐久性也有著不同的影響。

4.1 微彎板

車輪荷載通過橋面鋪裝層作用于微彎板上，形成較為直接的受力構件，原設計的微彎板計算模型為將微彎板兩端簡化為彈性約束的變截面板進行承載力驗算，該假定方法與實際受力狀態相差甚大，且微彎板厚度僅設為60mm，因此大大降低了微彎板在實際工作中的可靠性。由于橋梁多年的使用，橋面鋪裝的破損，拱肋下撓、橫向偏移等，均造成微彎板支座端偏位，嚴重者使得微彎板變成兩端鉸結的簡支板，從而微彎板實際受力大大增加，超出設計范圍，造成微彎板的破壞。本橋微彎板存在大量裂縫，且部分微彎板的塌陷，正是設計缺陷引起的。

4.2 橫向聯系

剛架拱橋的結構內力分析是根據平面桿系理論進行的，基本采用彈性支撐連續梁的方法進行橫向荷載分布分析，而后進行縱向橋梁內力分析。在實際工程應用中，往往很難模擬橫向聯系的實際受力狀況，導致結構內力計算失真。彈性支撐連續梁法需要結構必須有足夠的橫向連接剛度，橫向連接剛度是通過橫系梁、橋面鋪裝層及微彎板進行連接，而這種連接通過多年剛架橋的使用可知，其剛度較弱。

由于先天橫向剛度的不足，橋梁使用一段時間后，橫系梁逐漸出現開裂現象，橫系梁的開裂弱化了橫向剛度，出現更嚴重的裂縫，其裂縫基本形態為豎向貫通縫或斜向裂縫。同時在汽車荷載作用下出現振動現象，也使得橫向連接減弱，導致剛度降低。同時微彎板的側向水平推力作用也使得橫系梁處于橫向受拉，對橫系梁產生不利作用。因此，由于剛架拱的先天不足，導致橋梁過早的出現不同程度的病害，病害又導致橋梁橫向剛度降低，而剛度的降低加劇了構件的損傷、損壞，周而復始，造成橋梁使用年限大大縮短。

4.3 拱肋

根據橋涵通用設計規范，進行恒載、汽車荷載、溫度荷載等組合，經結構分析可知，拱頂、拱角最大抗力不滿足內力需求;跨中、拱腿(與大節點連接處)、拱角、弦桿(與大節點連接處)等部分部位裂縫寬度大大超出規范的最大要求。

同時，根據橋梁檢測報告可知，拱肋混凝土質量表觀差，表面粗糙、不平、局部蜂窩麻面;大小節點部位配筋不合理，缺乏必要的構造抗拉鋼筋。因此，在橋梁使用過程在大小節點部位出現不規則裂縫，影響橋梁的結構承載力和耐久性。

5 加固對策及驗算

5.1 加固對策

根據檢測結果及上述病害分析，提出了主要處理措施，如下:

1)對拱肋跨中兩側各10m的范圍內，拱肋下緣粘貼U型鋼板，加配U型壓條，粘貼鋼板采用環氧樹脂化學灌漿濕式外包鋼法施工。

2)大、小節點受力復雜，兩側粘貼整體大鋼板，在橫系梁處斷開，方便安裝，粘貼整體鋼板采用環氧樹脂化學灌漿濕式外包鋼法施工。

3)將拱腿全部和斜撐根部2.5m段外包混凝土加大截面;拱腿頂面、側面增加混凝土厚度15cm;在拱腳2.5m段區域內，將拱腿和斜腿連成整體。在拱腳新增截面上加強抗彎受力鋼筋，并將新增截面的連接鋼筋植入原結構，以保證新增截面能與原結構共同受力。拱腿新增截面縱向鋼筋與大節點鋼板焊接連接，并將該部分混凝土過渡平順。

4)對橫系梁下表面粘貼鋼板條加固，側面上緣粘貼鋼板，在拱肋處植入螺桿連接，增強橫向剛度。

5)拱肋弦桿上緣出現較多裂縫，計算也發現該部分結構承載能力富余量較小甚至不足，為此采用在靠近弦桿上緣粘貼鋼板條方法加固弦桿。

6)若配合整條路線改造，直接在橋面加鋪10cm瀝青混凝土，橋梁上將增加共250噸恒荷載，考慮原設計資料缺失，無法判定原基礎承載力富裕度，應考慮盡量不增加舊橋恒載;同時，根據檢測報告可以看出，微彎板及加勁肋存在較多裂縫，通過計算，原微彎板不滿足荷載要求。因此，考慮采用將原橋面鋪裝層銑剖掉2cm的磨耗層，綁扎鋼筋鋪設8cm厚C40聚丙烯纖維混凝土鋪裝層，使得新增鋼筋混凝土與原橋面板形成組合受力結構，共同承載受力;同時，對微彎板表觀病害進行維修處理，采用壓力注膠封閉裂縫、鋼筋除銹、聚合物砂漿恢復保護層等措施。再者在橋梁鋪裝6cm瀝青混凝土，橋兩端與整體路線平滑過渡。既解決了橋面板承載不足的問題，同時又使得舊橋恒載增加不多。

7)對所有寬度大于0.15mm的裂縫進行灌漿處理，灌漿膠采用優質A級環氧灌縫膠。對所有寬度小于0.15mm的裂縫，無論縫寬大小，在進行裂縫的灌漿過程中一并封閉。

5.2 加固驗算

1)計算參數

驗算按照JTG D60－2004要求進行，汽車荷載采用公路Ⅱ級荷載標準，人群荷載3.5kN/m2。橋面鋪裝二期恒載為原混凝土鋪裝層銑剖2cm磨耗層，加鋪8cmC40鋼筋混凝土鋪裝層，其上加鋪6cm瀝青混凝土鋪裝層。混凝土強度按檢測報告實測結果，恒載按改造后使用需要計取。對拱肋、弦桿、及大小節點節點處粘貼鋼板的單元將鋼板等效為鋼筋加入單元截面，等效計算考慮0.9的應力滯后效應。

2)拱肋撓度計算結果

撓度計算結果如(表1)所示，計算結果表明，加固措施對橋梁的剛度有大大改善。

表1 汽車荷載作用下結構變形

3)拱肋控制截面強度計算結果

經驗算現有的橋梁結構跨中強度基本能滿足承載能力極限狀態要求;拱腿大節點處、拱腳、斜腿腳及弦桿大節點處裂縫寬度不能滿足正常使用極限狀態要求。比較加固前后的計算結果，對橋梁的薄弱環節進行加強，提高了強度要求，減小裂縫寬度，增加了安全儲備，達到了加固效果。邊拱肋、中拱肋控制截面強度計算結果如(表2、3)所示;邊拱肋、中拱肋控制截面裂縫計算結果如(表4、5)所示。路面加鋪瀝青混凝土提載后，經加固后橋梁拱肋各截面承載力、裂縫寬度要求等均能滿足，并且有較大的富余度。