鋼筋混凝土鋼架拱舊橋加固設(shè)計(jì)
——以廣東省農(nóng)村公路危橋改造建設(shè)總承包項(xiàng)目江口舊橋加固為例

邱明亮

廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507

1 工程概述

廣東省農(nóng)村公路危橋改造建設(shè)總承包項(xiàng)目是2019年廣東省“十件民生實(shí)事”工程之一，是省政府督辦的重點(diǎn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目包含湛江、茂名、陽江、云浮、肇慶、清遠(yuǎn)、惠州7市，該片區(qū)共計(jì)175座危橋，含大橋10座，中橋46座，小橋119座。此次加固橋梁位于高要區(qū)南岸鎮(zhèn)東面，是原省道S272線上的一座大橋，建于1989年，目前該橋已經(jīng)限載通行。橋梁全長284.91m，橋面全寬15.7m，橋?qū)捊M合為（4×3.3）m行車道+（2×1.25）m人行道，橋面兩側(cè)設(shè)混凝土護(hù)欄，雙向橫坡為1.5%。

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用（4×60）m鋼筋混凝土剛架拱，矢高比為1∶8，主拱有5片拱肋，每片主拱肋兩側(cè)各有1個(gè)次拱腿。拱肋之間由橫系梁連接，全橋共有320個(gè)橫系梁。下部構(gòu)造及基礎(chǔ)：南岸臺(tái)和金渡臺(tái)均設(shè)前臺(tái)及后臺(tái)，前臺(tái)均為混凝土實(shí)體臺(tái)，后臺(tái)分別為漿砌片石U型臺(tái)及輕型橋臺(tái)，南岸臺(tái)基礎(chǔ)為鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)，金渡臺(tái)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100，航道標(biāo)準(zhǔn)為Ⅵ級(jí)。汽車設(shè)計(jì)荷載為汽-20、掛-100。

2 橋梁的主要病害

2017年11月22日江口舊橋檢測(cè)報(bào)告的結(jié)論：江口大橋技術(shù)狀況評(píng)定為4類，橋梁處于不合格狀態(tài)，應(yīng)進(jìn)行中修或大修工程，主要病害如下。

（1）橋面鋪裝整體磨耗嚴(yán)重，橋頭搭板多處橫向、縱向開裂。

（2）大部分拱肋有豎向和斜向裂縫，個(gè)別裂縫寬度達(dá)到0.25mm，個(gè)別拱肋局部存在麻面露筋、蜂窩露筋。

（3）大部分橫系梁兩側(cè)存在豎向和斜向裂縫，底部有橫向裂縫。

（4）橋面板大部分微彎板存在多處裂縫，個(gè)別微彎板局部泛白，露筋銹蝕，鹽析結(jié)晶；大部分拱肋在5#橫系梁與15#橫系梁間有多處豎向和斜向裂縫，個(gè)別裂縫寬度達(dá)到0.25mm；個(gè)別拱肋局部存在麻面露筋、蜂窩露筋。動(dòng)靜載試驗(yàn)表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度不滿足汽-20級(jí)荷載等級(jí)使用要求。

（5）個(gè)別橋墩有水侵蝕，墩底有沖刷現(xiàn)象。

3 加固方案擬定

橋梁加固應(yīng)結(jié)合舊橋工程地質(zhì)水文等建設(shè)條件，充分分析舊橋下部及基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況，盡量利用現(xiàn)有條件。加固方案應(yīng)遵循因地制宜、方便施工、經(jīng)濟(jì)適用的原則。由于該橋主要部件拱肋、橋面板、橫系梁均存在較多受力裂縫，根據(jù)病害分析和設(shè)計(jì)檢算結(jié)果采取相應(yīng)的加固措施。該橋剛構(gòu)拱拱片及橫系梁采用外包鋼筋混凝土增加截面加固。此方法不但能提高構(gòu)件的承載力，而且植筋施工方便，鋼筋防腐能滿足要求。

加固原則：活載由原設(shè)計(jì)汽-20，調(diào)整為現(xiàn)行規(guī)范的公路-Ⅱ級(jí)；其他設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范維持舊橋舊標(biāo)準(zhǔn)。

舊橋主要維修加固措施如下：拱片外包鋼筋混凝土增大截面加固；拱肋間橫系梁外包鋼筋混凝土增大截面加固；橋面鋪裝鑿除重鋪；橋頭搭板重做；橋梁結(jié)構(gòu)表面混凝土破損修復(fù)；橋梁結(jié)構(gòu)裂縫處理，對(duì)寬度小于0.1mm的裂縫進(jìn)行封閉處理，對(duì)寬度不小于0.1mm的裂縫進(jìn)行灌縫處理。

此次加固設(shè)計(jì)采用的標(biāo)準(zhǔn)基本得當(dāng)，技術(shù)方案基本可行。針對(duì)舊橋的具體病害和病因分析，結(jié)合相關(guān)計(jì)算分析，文章提出的加固方案合理，具有針對(duì)性。

4 鋼架拱加固設(shè)計(jì)

4.1 加固方案具體內(nèi)容

根據(jù)擬定的加固方案，具體內(nèi)容如下。

（1）采用增大截面法加固拱肋，拱肋腹板寬增大至12.5cm，同時(shí)底緣截面寬增大至15cm，拱腳處上緣截面寬增大至10cm。

（2）重新澆筑20cm厚的橋面板和10cm厚的混凝土橋面鋪裝。

（3）考慮橋面板與整體化層參與拱肋聯(lián)合受力，整體化層在弦桿支點(diǎn)上緣配置12根直徑為25mm的鋼筋。

4.2 有限元模型建立

采用空間桿系有限元軟件Midas Civil對(duì)舊橋進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合施工方案及構(gòu)造特征，考慮連拱效應(yīng)，建立單片拱有限元模型，主拱橫向分布系數(shù)為0.684。

4.3 極限狀態(tài)驗(yàn)算

（1）承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算。按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行主拱承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力組合。考慮普通鋼筋的作用，得到結(jié)構(gòu)內(nèi)力及抗彎承載力?？刂平孛鎵簭潯⒓儚潣?gòu)件驗(yàn)算表分別如表1、表2所示。

表1 控制截面壓彎構(gòu)件驗(yàn)算表

表2 控制截面純彎構(gòu)件驗(yàn)算表

（2）正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。①使用階段裂縫驗(yàn)算。按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，鋼筋混凝土構(gòu)件應(yīng)考慮長期效應(yīng)的影響驗(yàn)算裂縫寬度。根據(jù)舊橋所在地理位置，該橋所處環(huán)境類別為Ⅰ類，其最大裂縫寬度均需滿足Wcr≤0.2mm。按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行主拱正常使用極限狀態(tài)內(nèi)力組合，加固后剛架拱橋的裂縫驗(yàn)算滿足規(guī)范要求，驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。②變形驗(yàn)算。拱橋活載作用下的最大豎向撓度（正負(fù)撓度絕對(duì)值之和）不應(yīng)大于L/800，L為計(jì)算跨徑，經(jīng)驗(yàn)算拱肋剛度滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表3 加固后剛架拱橋的裂縫驗(yàn)算表

5 結(jié)論

（1）將汽車荷載提高至公路-Ⅱ級(jí)后，經(jīng)各種驗(yàn)算可知，構(gòu)件滿足相關(guān)規(guī)范要求，承載能力控制部位、裂縫控制部位及剛度也滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（2）承載能力的驗(yàn)算中，考慮舊橋的承載能力折減（折減系數(shù)取0.95）后，承載能力能滿足相關(guān)規(guī)范要求。拱腿上緣截面增大，拱腿的承載能力滿足相關(guān)規(guī)范要求。拱肋兩側(cè)加厚，同時(shí)底緣截面增大，拱肋的承載能力和限制裂縫寬度滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（3）裂縫驗(yàn)算中，拱腳和頂部、邊弦桿跨中和支點(diǎn)裂縫的裂縫寬度滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（4）剛度驗(yàn)算中，加固后整體剛度滿足相關(guān)規(guī)范要求。

文章對(duì)舊橋拱肋、橋面板進(jìn)行加固和重建方案設(shè)計(jì)，通過有限元分析軟件對(duì)舊橋進(jìn)行加固方案的驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果表明，對(duì)于一般的剛架拱橋，對(duì)拱片及橫系梁采用外包鋼筋混凝土增加截面加固可使橋梁滿足承載力的要求。該剛架拱橋的加固方案對(duì)類似舊橋加固方案的制訂具有一定的借鑒意義。