在役桁架拱橋結構狀況評定與維修加固方案設計

陳國佳

（東臺市市政養護管理所，江蘇 東臺 224215）

0 引言

鋼筋混凝土桁架拱橋是繼雙曲拱橋之后發展起來的一種拱橋結構型式，兼具桁架橋自重輕和拱橋跨越能力強的特點，且施工簡便、造價低廉，用于地基較差的橋位處。自20世紀60年代以來，曾一度在全國范圍內得到廣泛應用。但隨著使用年限增加，在復雜荷載作用及環境因素的綜合影響下，材料性能逐漸退化，出現了不同程度的病害，對其承載能力和安全運營構成了嚴重的威脅。因此準確、客觀地評定在役桁架拱橋的結構狀態，確定其實際承載能力并有針對性地進行維修加固，對改善橋梁的使用狀況就顯得尤為重要。本文以某桁架拱橋的結構狀況檢測和維修加固工程為背景，闡述了橋梁結構狀態評定的主要內容與過程，結合橋梁結構的實際病害情況與承載力評定結果，明確了維修加固的目標和加固過程中的結構受力要求，提出了針對性的加固方案。

1 工程概況

某桁架拱橋建造于1987年，與河道正交，是一座東西向布置的橋梁，孔跨布置為（15.3+17.3+15.3）m，橋面總寬5.0 m，橋面鋪裝為鋼筋混凝土結構。設計荷載等級為汽-10級，橋梁所處環境為Ⅱ類環境，如圖1所示。

圖1 某桁架拱橋立面圖

該橋建成通車至今已運營40多年，隨著橋梁服役時間的增長，各個構件出現了不同程度的材料退化和結構病害。為全面掌握該橋的缺陷部位和發展趨勢、損傷的性質，確定結構的技術狀況等級，為后期維修管養提供依據，需要對該橋進行結構狀態評定。

2 橋梁結構狀態評估

2.1 橋梁外觀檢查

為了解橋梁的技術狀況，對該橋橋面系、上部結構、下部結構進行外觀檢查。檢查表明：該橋橋面混凝土鋪裝存在大面積的破損，局部有非貫通橫向裂縫；東、西側橋頭均出現輕微沉降，橋頭伸縮縫接縫處鋪裝均出現破損。泄水孔部分堵塞、缺損。北側部分護欄存在混凝土剝落、露筋的現象。上部結構病害較為嚴重，全橋各跨桁架拱片及橫向支撐桿普遍存在銹脹露筋、混凝土剝落等病害，微彎板出現開裂現象。對于下部結構，0#橋臺臺身側墻結構局部剝落。1#、2#橋墩拱座被船撞擊，拱座混凝土局部剝落。剝離的總面積超過整個拱座表面積的3%，如圖2、圖3所示。

圖2 拱片銹脹破損嚴重

由外觀檢查結果可知，由于年久失修，該桁架拱橋各個構件均存在不同程度的病害，特別是上部結構桁架拱片銹脹損壞嚴重，對橋梁的承載能力和安全運營造成了很大的隱患。綜上，該橋的技術狀況評定等級為D級，為“不合格狀態”。

2.2 橋梁結構狀態參數檢測

2.2.1 混凝土強度檢測

采用回彈儀對該橋主要構件的混凝土強度進行檢測，選取12個主體構件，共200個測點進行檢測。根據現場檢測結果，該次抽檢的構件混凝土強度推定值在21.3～26.5 MPa，部分構件混凝土存在材質強度較低的情況。

2.2.2 鋼筋銹蝕性狀檢測

采用鋼筋銹蝕儀檢測該橋構件中鋼筋銹蝕性狀。對全橋選取了兩片拱肋構件，共計187個測點進行鋼筋銹蝕點位檢測。根據檢測情況，拱肋構件有銹蝕活動性，個別測點的電位水平高于-300 mV，銹蝕可能性為90%，已明顯開始退化。

2.2.3 鋼筋保護層厚度檢測

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）規定，該橋所處環境屬于Ⅱ類環境，主筋保護層厚度均不得低于40 mm，箍筋保護層厚度不得低于25 mm。選取13個構件，共計200個測點，采用鋼筋檢測儀對鋼筋混凝土保護層厚度進行測量，在抽檢的13個構件中，主筋的保護層厚度平均值為27.9～34.1 mm，部分構件混凝土保護層厚度對結構鋼筋耐久性有影響。

2.2.4 混凝土碳化深度檢測

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選取9個主要受力構件，共20個測區，采用在混凝土新鮮斷面觀察酸堿指示劑反映厚度的方法測定混凝土碳化狀況。檢測結果表明，各構件的實測碳化深度均小于保護層厚度最小值，表明構件的鋼筋目前不會由于混凝土的碳化而發生全面銹蝕。

2.2.5 混凝土裂縫檢測

通過目視檢查并結合裂縫寬度檢測儀對主拱肋裂縫的分度、長度、寬度等進行檢測，并對裂縫的分布和開展情況進行統計分析。以第二跨橫向第二片拱片為例，由圖4可知，拱肋裂縫主要分布在拱肋上弦桿的位置。

圖4 第二跨橫向第二片拱片主要裂縫分布情況

2.3 橋梁承載能力驗算

為了分析結構的受力特點，并為荷載試驗提供理論依據，采用MIDAS/Civil建立空間桿系模型對該橋進行計算，并選取三個典型控制斷面對該橋進行承載能力驗算，各項驗算系數根據各結構構件物理力學參數的檢測結果進行取值，荷載按照原設計荷載等級汽-10級進行分析，如圖5所示。

圖5 某桁架拱橋計算模型及驗算斷面示意圖

經計算，在承載能力極限狀態下，主體結構能滿足原設計汽-10級荷載等級的安全承載要求，但部分破損嚴重的斷面，如第二跨橫向第三拱片跨中位置斷面，其抗彎不能滿足承載能力要求，見表1。

表1 各控制斷面抗彎強度計算結果

2.4 荷載試驗

荷載試驗主要包括靜載試驗和動載試驗兩部分。

靜載試驗是通過結構內力狀態的理論計算與實測結果的對比分析，對橋梁工作狀態和承載能力進行檢驗。根據汽-10級荷載作用下各控制截面的撓度和彎矩，選取中拱跨中截面和中拱拱梁結合處截面為該次靜載試驗的控制截面，如圖6所示。

圖6 靜載試驗工況測試斷面選取示意圖

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2011）規定，結合該橋結構特點，選取跨中拱肋最大正彎矩工況和拱腿頂主梁最大負彎矩工況為該次靜載試驗的兩個試驗工況?？紤]實際加載車輛特性，經計算，工況Ⅰ、Ⅱ分別選用一輛100 kN和一輛150 kN的兩軸重車進行加載，各工況分兩級進行加載。工況Ⅰ和工況Ⅱ的車輛加載布置如圖7所示。

實際加載時，當加載至工況Ⅰ第二級時，撓度和應變校驗系數均出現了超過1的現象，卸載后的殘余應變也較大。表2為各加載工況下拱肋應變和校驗系數。實測數據對比表明：主拱跨中撓度校驗系數在1.06～1.50，跨中拱肋撓度校驗系數大多在1.07～1.72；應變測點殘余應變系數超過20%，說明該橋不能處于完全彈性工作階段。依據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》規定，該橋承載能力不能滿足原設計汽-10級荷載的使用要求。

圖7 靜載試驗加載工況Ⅰ、Ⅱ分級加載示意圖（單位：cm）

表2 跨中拱肋應變及校驗系數

動載試驗的內容主要為測量移動車輛作用下主橋結構應力的動態響應和沖擊系數。試驗采用一輛10 t重車以10 km/h的速度駛過橋面，通過預設在下弦桿跨中位置處的動應變計記錄該橋的動應變時程信號。通過動應變時程曲線分析，得到主拱肋跨中截面應變測點實測應變沖擊系數為0.18，如圖8所示。

圖8 動載試驗動應變時程曲線

3 橋梁加固維修方案設計

通過結構狀態評估可知，該桁架拱橋主拱肋混凝土缺損嚴重，結構的縱、橫向剛度均存在一定程度上退化，不能滿足原設計荷載承載力要求。為保證橋梁的安全運營，改善使用狀況，提高橋梁的承載力和通行能力，最大程度地延長其使用壽命，需要對該橋進行維修加固。

3.1 總體維修加固方案

該次加固工程選取U形鋼板作為主要加固材料進行下弦主拱圈抗壓、抗彎加固，經濟性相對較好，且施工工藝簡單；對同時承擔較大軸力和剪力的拱腳直腹桿采用增大截面法進行加固；對橫向支撐桿采用外加角鋼支撐，以提高橋梁結構整體性，如圖9所示。

圖9 桁架拱橋總體加固示意圖

對存在混凝土破損剝落、露筋銹蝕等病害的構件，加固前應先將構件表面打磨平整，除去梁體表面浮塵、松散混凝土等，鑿除破損位置表層劣質混凝土，采用樹脂型修補砂漿和改性細石混凝土對破損處進行修補，采用塞柏斯（XYPEX）材料對裂縫進行封閉修補，并對外露銹蝕鋼筋進行除銹處理。

3.2 下弦桿及實腹段加固

桁架拱橋下弦桿主要受壓，同時承受較大的彎矩，對其下緣及側面粘貼8 mm厚的U形鋼板，能夠較好地控制下弦桿混凝土應力，同時提高其承載能力。施工時，應將混凝土表面清理干凈，對轉角粘貼處進行倒角處理并打磨成圓弧狀，再粘貼鋼板。U形鋼板粘貼完成后，在其兩側安裝M12螺栓和鋼壓條，對鋼板進行錨固，如圖10所示。

圖10 下弦桿及跨中實腹段加固

3.3 拱腳直腹桿加固

拱腳直腹桿采用對其側面外包15 cm厚鋼筋混凝土增大截面的方法進行加固，可同時有效提高其承載力和剛度，對橋梁整體剛度提高十分有利。

施工前先清除拱片表面涂裝，鑿除表面風化混凝土；隨后對拱背混凝土進行鑿毛，表面凹凸不小于6 mm，露出粗骨料，對銹蝕鋼筋尚需進行除銹，隨后按要求鉆孔植筋，綁扎鋼筋網，支?，F澆外包混凝土，如圖11所示。在施工中，應采取添加微膨脹劑等措施，降低混凝土的收縮，保證混凝土密實。

圖11 拱腳直腹桿加固

3.4 橫向支撐桿加固

橫向支撐桿采用外加角鋼加固支撐的方式進行維修，能夠有效增強各拱片間的橫向聯系，提高橋梁的整體橫向剛度，從而避免單個拱片承受較大荷載，如圖12所示。

圖12 拱肋橫向支撐桿加固立面示意圖

3.5 橋面系

全橋橋面鋪裝鑿毛20 mm，鋪設改性環氧樹脂薄層，厚為20 mm；墩臺斷縫處鑿開增設彈性體伸縮縫；疏通橋面泄水孔，并增設直徑75 mm、長度500 mm的UPVC管，以增強排水能力；橋臺臺背鑿除重筑，并增設彈性體伸縮縫；橋面護欄破損處采用環氧砂漿修補并涂刷涂料，橋頭側墻增設簡易人行護欄。

4 結語

通過對該桁架拱橋進行的結構狀態評估和維修加固方案設計，得到如下結論：

（1）考慮到現役桁架拱橋普遍存在建造時間早，使用年限長，且在設計、施工等方面都有所欠缺的特點，對該類橋梁的結構總體狀態進行評估時，應采用包括荷載試驗在內的多種手段，充分了解橋梁的基本狀況、病害情況及工作性能，并建立橋梁資料卡片，為實現對橋梁結構的科學管理、養護、維修及運營決策，確保運營安全提供依據。

（2）對桁架拱橋進行加固和改造處理，應充分考慮各構件的受力特點，基于病害的發展狀況，采用相應的材料和有針對性的加固方法，從而在保證運營安全、提高承載能力、延長使用壽命的前提下，兼備較好的經濟效益與社會效益。