雙曲拱橋加固方案比選及加固效果評估

■滕 煒

（南平市公路事業發展中心武夷山分中心，武夷山 354300）

雙曲拱橋是我國在特定時間受到設計和施工技術影響下產生的輕型拱橋，具有經濟實用、施工簡便、結構簡單等特點，目前仍有大量雙曲拱橋處在服役期[1]。 經過幾十年的運營，由于受到周圍環境影響及道路交通量的增加，雙曲拱橋整體性較差、拱肋和拱波易開裂、承載能力偏低等缺點逐漸顯現，越來越多的雙曲拱橋產生了不同程度的病害，對橋梁安全使用造成不可避免的影響，各種病害亟需改造加固，為橋梁正常運營提供完全保障[2]。 雙曲拱橋區別于常規圬工拱橋之處在于其橫向同樣為拱形，主要受力構件由拱肋、拱波、橫向聯系組成。 目前針對雙曲拱橋的加固方法主要有結構體系轉換法、拱肋增大截面法、粘貼鋼板加固法等。本研究以福建省武夷山在役的赤石大橋維修加固工程為背景，根據檢測報告中橋梁病害情況并結合現場調研，針對病害特點提出多種加固處置措施，并采用動靜載試驗和有限元計算分析驗證填芯法加固后的效果，為后續類似工程加固方案提供工程經驗。

1 工程概況

1.1 工程簡介

福建省武夷山市位于閩江上游段，由于該地區江河支流眾多，早期建造的雙曲拱橋仍有大部分處于服役期。赤石大橋橋址處正交橫跨黃泊溪，該橋建于1969 年，設計荷載等級為汽車-13 級、拖車-60。上部結構：第1 跨及第4 跨為實腹式鋼筋混凝土雙曲拱、第2 跨及第3 跨為空腹式鋼筋混凝土雙曲拱，橋梁跨徑布置為14 m+2×30 m+13.0 m，下部結構采用U 型橋臺，橋墩采用實體墩，墩臺為擴大基礎。 橋梁全長116.7 m；橋面布置為6 m 行車道+2×1.0 m 人行道=8 m。由于該橋運營期較長，后期養護不善，目前該橋梁結構整體狀況較差。 赤石大橋立面橫斷面見圖1、2。

圖2 赤石大橋跨中橫斷面布置圖

1.2 專項檢測情況

橋梁加固前需對橋梁開展全面排查工作，通過檢測可以發現橋梁存在的安全風險。 該橋現存病害主要有：橋梁主拱圈存在多處滲水析白、鋼筋銹蝕、縱向裂縫、斜向裂縫、腹拱存在局部滲水析白、破損、縱向裂縫、墩臺局部開裂。 現場典型病害情況見圖3、4。

圖3 拱肋底面開裂

圖4 腹拱縱向裂縫

2 橋梁加固方案

由于該區內部分舊橋改造施工臨時設置交通管制分流導致該橋在短期內交通量劇增，上述檢測報告提到的腹拱裂縫進一步發展，且在其余腹拱拱頂位置發現多處橫向裂縫。 同時該橋位于此區域對外的主要通道上，如何快速解決橋梁結構安全隱患，增大結構安全儲備，確保車輛運營安全成為了加固方案的重點。

2.1 缺陷成因分析

根據橋梁檢測結果并結合現場調研情況，該橋產生病害的原因主要有以下方面：（1）該橋建設年代久遠，營運時間有50 多年，橋梁預制構件拼接部位失效，自身受力混凝土老化；（2）該橋橋面鋪裝為花崗巖鋪裝，不能起到加強橫向聯系和傳遞荷載的功能；（3）橋梁截面較小，配筋率低，導致橋梁的承載力和抗開裂能力不足且受力不均勻[3]。

2.2 加固方案比選

根據上述檢測情況和成因分析， 擬采用鑿除15 cm 厚拱上填料、 原水泥路面和花崗巖鋪裝后改造為3 cm 超薄瀝青砼+22 cm 厚鋼筋砼路面+15 cm素砼填料的改造方案，同時拆除既有混凝土欄桿和人行道，新建不銹鋼欄桿和人行道，橋面系改造方案見圖5。

圖5 橋面系改造方案簡圖

對于橋梁承載能力不足的問題，根據橋梁主體結構病害情況，提出以下3 種加固方案。

2.2.1 方案1：結構體系轉換法（填芯法）

結構體系轉換法是指在拱波空腔區域配置鋼筋后通過從橋面鑿孔灌注混凝土填充拱波區域空腔，加強各拱波之間的橫向聯系的同時，實現輕型拱橋結構轉換為板拱的結構受力體系，該種加固方法也稱為填芯法。 方案簡圖見圖6。

圖6 填芯法加固方案

2.2.2 方案2：拱肋增大截面法

拱肋增大截面法即是在拱肋底部根據計算需要增大截面并布置鋼筋，方案簡圖見圖7。

圖7 拱肋增大截面法

2.2.3 方案3：粘貼鋼板加固法

利用植入高強螺栓將鋼板與拱肋截面和拱波連接，達到補強拱肋和拱波的目的，見圖8。

圖8 粘貼鋼板加固法

對3 個方案進行比選，具體內容見表1。本研究提出3 個方案從加固效果、安全性、施工便捷性、經濟性及施工周期方面進行對比，得出：填芯法雖在經濟性和安全性比較中不如其他2 個方案，但是能夠顯著地提高結構的整體剛度和橫向聯系，基本解決雙曲拱橋的先天缺陷，加固效果最好。 綜上所述，本次加固采用填芯法。

表1 3 種加固方案對比

3 加固方案設計

（1）在雙曲拱拱波和拱肋之間布置鋼筋后，通過灌注孔灌注C30 砼填充拱波空腔，橫向通過新增截面將拱波連為一個整體，從而實現輕型拱結構轉換為板拱結構；（2）對主拱圈拱背（腹拱圈底部）采用C30 鋼筋砼加固，對腹拱圈采用噴射C30 鋼筋砼加固；（3）挖除既有橋面系和15 cm 厚的拱上填料，重新鋪裝鋼筋砼路面加強橋梁橫向聯系，優化車輛荷載的傳遞。后加鋪超薄罩面改善行車舒適性；（4）拆除既有鋼筋砼護欄為不銹鋼護欄，增設路緣石和人行道板，改善行人的通行環境。 橋梁加固橫斷面見圖9。

圖9 橋梁加固橫斷面圖

4 加固方案效果評估

目前該橋已完成了加固工作， 歷時5 個月，為驗證加固效果，采用Midas Civil 有限元軟件建模進行理論分析和橋梁動靜載試驗評估加固效果。

4.1 加固后理論計算

4.1.1 橋梁模型的建立

利用Midas Civil 有限元軟件中的“梁格法”，建立全橋模型，計算模型考慮雙曲拱橋上部結構的空間作用和拱上建筑的影響，拱腳位置按固結，腹拱圈與橋臺前墻和橫墻之間鉸接， 主拱圈按照自重加載、拱上填料按照梯形荷載加載到主拱圈，橋面系荷載按均布荷載加載在橋面板上。 計算模型見圖10。

圖10 有限元計算模型

4.1.2 計算荷載及控制截面的選用

如前所述， 舊橋采用的荷載為汽車-13 級、拖車-60，加固后橋梁荷載按現行JTG D60－2015《公路橋涵設計通用規范》[7]選用公路－Ⅱ級荷載進行加載，人行荷載為3.0 kN/m2，考慮溫度荷載。按承載能力極限狀態、正常使用極限狀態進行組合，取最不利組合效應進行設計。

4.1.3 計算工況及結果

考慮雙曲拱橋結構特殊性和加固工藝，本次計算考慮新舊結構受力模式的不同，加固過程中新增填芯自重荷載由舊橋結構承擔，待填芯混凝土硬化后和舊結構共同承擔二期恒載和活載， 故布置計算工況如下：工況1：按現行荷載和規范要求對原結構計算工況；工況2：填芯結構未參與受力，自重等效為均布荷載作用在原結構上的計算工況；工況3：填芯結構參與受力，新舊結構組合共同承擔荷載的計算工況。

各工況下拱腳、L/4 處、 拱頂截面作控制截面，根據計算顯示各構件在承載能力極限狀態下計算結果見表2。

表2 各工況下控制截面承載能力

4.2 橋梁動靜載試驗評估

4.2.1 靜力性能評估

橋梁動靜載試驗選取橋梁第2 跨和第4 跨作為試驗橋跨，由于第4 跨為實腹拱橋，在此不重點分析。本橋動靜載試驗使用的主要儀器設備見表3。

表3 主要儀器設備

通過布置荷載工況，使現場加載的荷載效率符合橋梁試驗規范的要求，靜力加載試驗計算值及荷載效率見表4。

表4 靜力加載試驗計算值及荷載效率

荷載試驗采用2 部39 t 左右重型卡車進行加載，加載車輛的主要技術參數見表5，車輛加載位置見圖11、12。

圖11 工況1 拱頂最大正彎矩（右偏載）加載車輛平面位置圖

表5 加載車主要技術參數

圖12 工況2 拱頂最大正彎矩（中載）加載車輛平面位置圖

主要控制截面的撓度測點見圖13、14， 應變測點見圖15、16。

圖13 第2 跨截面撓度測點立面布置圖

圖14 第2 跨截面撓度測點橫向布置圖

圖15 第2 跨截面應變測點立面布置圖

圖16 第2 跨截面應變測點橫向布置圖

第2 跨拱頂截面撓度測點實測值和理論值結果見表6，該橋撓度校驗系數0.91～0.95 處于JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗規程》規定的0.5～1.0 常值范圍內，卸載后的相對殘余變形在1.15%～3.70%，滿足小于20%的規定[6]。

表6 第2 跨拱頂各測點撓度值

第2 跨拱頂截面應變測點結果見表7， 該橋應變校驗系數位于0.58～0.63， 處于JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗規程》規定的0.5～0.9 常值范圍內。 卸載后的相對殘余變形在0.62%～3.23%，滿足《公路橋梁荷載試驗規程》中小于20%的規定[6]。

表7 第2 跨拱頂各測點撓度值

4.2.2 動力性能評估

環境振動試驗主要測量橋梁的自振頻率。 通過橋梁模態測試采集模塊測定橋梁在動荷載作用下的振型、頻率、阻尼比等動力參數。 采集模塊沿橋第2 跨縱向布置在橋跨四分點位置附近， 采集模塊豎直向垂直于橋面布置，以測定橋梁豎向振動響應和橫橋向振動響應，采集模塊橫向布置在距橋梁行車道路緣石30 cm 處。 測點位置確定后用橡皮泥將采集模塊調平并與橋面耦合。 豎向拾振器測點見圖17、18。

圖17 加速度傳感器縱橋向布置圖

圖18 加速度傳感器橫橋向布置圖

采用有限元程序Midas Civil （2022 v1.2 64）對本橋進行了動力特性分析，理論計算頻率與實測頻率比較情況見表8。 對實測結果和理論結果分析可以看出，該橋實測豎向第1 階、豎向第2 階、橫向第1 階自振頻率分別為8.008、14.746、10.254 Hz，大于有限元分析得到的豎向第1 階、豎向第2 階、橫向第1 階自振頻率 （7.897、10.998、8.439 Hz），表明橋梁實際成橋剛度大于理論剛度，說明橋梁的整體剛度滿足設計要求。

表8 理論計算頻率與實測頻率比較

無障礙行車試驗是利用試驗車輛在橋上以一定速度行駛，對橋梁施以動力荷載，測量橋梁特征位置的振幅和沖擊系數等，對測得的橋梁動力響應值進行分析，獲得橋梁的動力響應特性，試驗時采用1 輛總重39 t 左右的加載車分別以車速5、10、20、30 km/h 勻速通過橋跨結構（行駛車道為左側行車道最外側行車道）， 由于在行駛過程中對橋面產生沖擊作用，從而使橋梁結構產生振動。 通過動力測試系統測定橋跨結構沖擊系數。 動應變縱橋向布置在第2 跨拱頂截面， 截面布置1 個動應變測點，測點橫橋向布置見圖19。

圖19 動應變橫向布置圖

無障礙行車是結構受到隨時間變化的外力時所顯示的反映，該橋在跑車試驗（采用1 輛總重39 t左右的三軸加載車）的不同車速激振下，動應變測點在不同車速激振下的動應變時程曲線，各時程曲線見圖20～23。

圖20 5 km/h 跑車試驗

圖21 10 km/h 跑車試驗

圖22 20 km/h 跑車試驗

圖23 30 km/h 跑車試驗

橋梁實際所受沖擊系數小于理論計算值見表9。

表9 不同車速激振下實測橋面動應變與沖擊系數

沖擊系數的大小綜合反應了橋梁結構的受力性能、橋面平整度以及橋梁的動力性能。 該橋實測的沖擊系數最大值為1.043，而根據JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》[7]規定計算，橋梁理論沖擊系數為1.350，實測值均小于理論值。

通過對加固后的赤石大橋進行現場試驗，并結合試驗現象、試驗數據以及試驗結果的分析，可得到如下結論：（1）本次試驗測試實測基頻大于理論計算值，且實測振型與理論振型基本一致。 （2）無障礙行車試驗下，實測沖擊系數（1+μ）最大值為1.043，小于根據JTG D60-2015 《公路橋涵設計通用規范》[7]計算的理論計算值1.350。

4.3 綜合分析

根據橋跨結構承載能力極限狀態理論計算結果顯示， 加固后橋梁理論承載能力滿足公路-II 級荷載要求且有一定安全儲備。 橋梁的動靜載試驗又進一步說明，在公路-II 級荷載作用下橋梁的撓度、應變、振型和沖擊系數均滿足規范要求，且新舊混凝土交界面未出現開裂現象。 綜上所述，加固后橋梁承載能力和剛度均有提升且主拱圈再未出現裂縫缺陷，加固效果良好。

5 結語

結合動靜載試驗和有限元計算分析，驗證了采用填芯法改變雙曲拱結構受力加固方式對雙曲拱承載力的增強效果明顯。 雖然本研究通過工程實例驗證了填芯法加固雙曲拱橋的可行性，但是現階段針對填芯法的理論計算模型都是將填芯物與既有橋梁混凝土簡化為一次性澆筑結構進行活荷載受力分析，新舊混凝土共同受力工作狀況尚未進行深入研究。 目前國內外均沒有成熟的理論和試驗作為支撐依據，需待后續進一步研究。