剛架拱橋加固方法及加固后評估分析

莫喜晶

(廣西壯族自治區(qū)桂西公路發(fā)展中心，廣西 南寧 530005)

0 引言

剛架拱橋的弦桿、斜撐和拱肋互相剛結(jié)，形成整體結(jié)構(gòu)共同抵抗外部荷載，兼有拱和剛架的特性[1]。同時，拱上建筑不是單純的傳遞荷載，而是參與結(jié)構(gòu)受力，使剛架拱片及其他構(gòu)件尺寸變小，具有施工簡便、節(jié)省材料等優(yōu)點。但是，由于構(gòu)件尺寸偏小，剛架拱橋受力鋼筋配置一般較少，橫向聯(lián)系弱，整體剛度較低。隨著社會發(fā)展，重型車輛交通量迅速增大，剛架拱橋容易出現(xiàn)承載能力不足、病害發(fā)展快速等現(xiàn)象，存在較大安全隱患[2-5]。本文以廣西賀江一橋為項目依托，基于剛架拱橋的受力特點與病害現(xiàn)狀，對剛架拱橋加固技術(shù)進行探討，并通過荷載試驗分析剛架拱橋加固后的受力性能，為類似橋梁加固提供參考性建議。

1 橋梁概況

廣西賀江一橋建成于1995年，跨越賀江，全長212.0 m，橋面總寬20.0 m，原設(shè)計荷載等級為汽車-20級，掛車-100。該橋上部結(jié)構(gòu)為4×43 m剛架拱，凈矢跨比為1/8，下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺，擴大基礎(chǔ)。每跨主拱由7條拱片組成，拱片橫向間距為3.2 m，拱片由實腹段拱肋、內(nèi)外弦桿、斜撐、拱腿組成。橋面為預(yù)制微彎板+現(xiàn)澆橋面混凝土結(jié)構(gòu)。賀江一橋橋型布置如圖1所示。

圖1 賀江一橋橋型布置圖(cm)

2 橋梁病害及成因

賀江一橋剛架拱片弦桿和拱頂附近下緣出現(xiàn)較多橫向裂縫，弦桿為受彎構(gòu)件，拱頂附近為彎壓構(gòu)件，最大縫寬超過規(guī)范限寬，說明橋梁承載能力不足。由于該橋修建年代較為久遠(yuǎn)，設(shè)計荷載較低，隨著交通的不斷發(fā)展，超載超限車輛不斷增加，使橋梁超負(fù)荷運行，剛架拱片承載能力不足從而產(chǎn)生超限裂縫。橫系梁病害表現(xiàn)為梁中部出現(xiàn)豎向貫通裂縫，其原因是賀江一橋橫系梁布置相對較少，截面尺寸較小，橋梁整體橫向剛度偏弱，在車載作用下，剛架拱片之間豎向位移不一致導(dǎo)致橫系梁受到剪力，同時微彎板對拱片產(chǎn)生推力，使橫系梁受拉，在剪力與拉力的共同作用下，橫系梁容易產(chǎn)生裂縫。

3 加固設(shè)計

3.1 加固方法比較

外包混凝土法是剛架拱橋傳統(tǒng)的加固方法，可有效增大剛架拱片的截面抗力。但賀江一橋剛架拱片截面較小，如下頁圖2所示，原拱腿截面面積為0.25 m2，外包混凝土的面積為0.41 m2，為原拱腿的1.6倍，混凝土與鋼筋消耗量大，經(jīng)濟效果較差。另外，外包混凝土強度未形成前，新增混凝土自重直接由原結(jié)構(gòu)承擔(dān)，剛架拱片有可能因負(fù)重過大而被破壞，施工安全隱患大。

圖2 拱片外包混凝土示意圖(cm)

粘貼鋼板法對原結(jié)構(gòu)尺寸和自重影響小，施工工藝簡便，膠粘劑干固時間短，能較快參與結(jié)構(gòu)受力。同時粘貼鋼板加固效果顯著，鋼板與混凝土內(nèi)鋼筋共同受力，提高結(jié)構(gòu)剛度、改善受力性能，也可防止已有裂縫的繼續(xù)發(fā)展，抑制新裂縫的產(chǎn)生。因此，賀江一橋采用粘貼鋼板法加固剛架拱片。

3.2 加固設(shè)計

針對橋梁結(jié)構(gòu)強度和橫向剛度不足的情況，加固設(shè)計采用粘貼鋼板法提高剛架拱承載力，通過現(xiàn)澆整體式橋面板增強橫向聯(lián)系。加固設(shè)計細(xì)節(jié)如下：

(1)賀江一橋拱頂實腹段為彎壓構(gòu)件，以受彎破壞為主，因此，在跨中15 m范圍實腹段底面粘貼8 mm厚鋼板N1(見圖3)，有效提高剛架拱片承載力，限制拱頂裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。

(2)外弦桿為受彎構(gòu)件，內(nèi)弦桿受彎同時還受到一定的軸力作用，橋梁超負(fù)荷運行時，外弦桿梁底更容易產(chǎn)生裂縫。因此，在弦桿梁底粘貼8 mm厚鋼板N2、N3(見圖3)，以提高承載力，限制裂縫發(fā)展。

(3)拱腿為直桿型矩形截面，向下部結(jié)構(gòu)傳遞大部分水平力和豎向力，同時還傳遞較小的彎矩，屬于小偏心受壓構(gòu)件。加固改造使橋梁恒載增加，需提高拱腿承載能力，因此，在拱腿上下兩面粘貼8 mm厚鋼板N5、N6(見圖3)，鋼板可抗拉、抗壓，有效提高拱腿承載能力；同時增設(shè)環(huán)箍鋼板N9，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高混凝土的抗壓強度(見圖4)。

圖4 拱腿加固構(gòu)造圖(cm)

(4)斜撐為矩形截面，可以起到減小弦桿彎矩，分散拱腿軸力的作用，也屬于小偏心受壓構(gòu)件，主要加固方式與拱腿一致(見圖3)。

圖3 拱橋加固一般構(gòu)造圖(cm)

(5)賀江一橋橫向剛度較弱，橫系梁中部出現(xiàn)豎向貫通裂縫，微彎板搭設(shè)在拱片上，未起到增強橫向聯(lián)系的作用，且對拱片產(chǎn)生不利推力。因此，采取拆除原橋橋面系及微彎板，重做整體現(xiàn)澆C40自密實橋面板的方式增強橫向剛度(見圖5)。現(xiàn)澆橋面板通過植筋與剛架拱片、橫系梁連接，將各拱片連接成為一個整體，使各拱片共同受力，限制拱片側(cè)向位移。同時，現(xiàn)澆橋面板與拱片組合成為“T梁”結(jié)構(gòu)，拱片截面高度增加，有利于提高承載力。

4 內(nèi)力計算

采用Midas Civil軟件對賀江一橋建立梁格模型進行計算分析。該橋為重力式橋墩，抗推剛度大，可按單跨拱橋計算，其有限元模型如圖6所示。計算時不考慮人行道、護欄對上構(gòu)剛度的貢獻，但計入部分混凝土鋪裝層的影響。考慮到實際施工質(zhì)量及尺寸偏差等因素，本次計入10 cm厚混凝土層，其余8 cm厚的混凝土層、人行道和護欄僅考慮其質(zhì)量對結(jié)構(gòu)自振特性的影響。

圖6 空間有限元模型圖

(a)拱頂位置

粘貼鋼板加固后，橋梁內(nèi)力會有小幅度的增加，但加固截面的承載力得到了更大幅度的提升，從而達到加固效果。如表1所示，在基本組合下，各截面承載能力極限狀態(tài)均能滿足“城-B級”荷載等級要求。

表1 承載力極限狀態(tài)驗算結(jié)果表

5 加固后評估

5.1 靜力性能評估

選取1#跨、2#跨作為試驗橋跨，撓度測試截面布置內(nèi)外弦桿最大正彎矩截面、L/4截面、L/2截面、5L/8截面、3L/4截面對應(yīng)的橋面處，拱頂截面橫橋向和豎向變形測點布置如下頁圖7所示。因篇幅限制，本次分析僅列出1#跨拱頂截面試驗結(jié)果，其余截面測試結(jié)果類似。應(yīng)變測試截面布置在拱腿、斜撐、大節(jié)點最大負(fù)彎矩處、內(nèi)外弦桿、拱頂最大正彎矩處。拱頂截面橫橋向應(yīng)變測點布置如下頁圖8所示，其中4#拱片與7#拱片沿截面高度布置3個應(yīng)變測點，驗證鋼板與原拱片混凝土的結(jié)合性以及加固后結(jié)構(gòu)變形是否符合平截面假定。

圖7 跨中截面撓度測點橫向布置圖(cm)

圖8 跨中截面應(yīng)變測點橫向布置圖(cm)

對跨中截面靜載試驗測試結(jié)果分析如下：

(1)如下頁圖9所示，在正載與偏載工況下，1#跨跨中截面撓度實測值小于計算值，符合計算值偏安全的要求，如后頁表2所示，最大校驗系數(shù)為0.881，表明加固后試驗跨的整體剛度滿足要求。

(2)如下頁圖10所示，正載與偏載工況下，1#跨跨中截面鋼板應(yīng)變實測值均小于計算值，如后頁表2所示，最大校驗系數(shù)為0.532，表明加固后試驗跨的整體強度滿足要求。

(3)如下頁圖11所示，加固后試驗跨第4#、7#剛架拱片沿高度分布的應(yīng)變實測值有較好的線性關(guān)系，符合平截面假定趨勢，表明鋼板與原混凝土結(jié)合良好，變形協(xié)調(diào)，粘貼鋼板加固方法切實可行。回歸曲線與Y軸的交點為截面的中性軸位置。

(4)如后頁表2所示，最大相對殘余撓度和殘余應(yīng)變均<20%，表明結(jié)構(gòu)在試驗荷載下處于彈性受力狀態(tài)，受力性能良好。

表2 1#跨跨中截面靜載試驗結(jié)果表

5.2 動力性能評估

對動載試驗測試結(jié)果分析如下：

(1)實測1#跨第1階、第2階豎彎頻率分別為5.713 Hz、7.715 Hz，均大于理論計算頻率4.271 Hz、5.731 Hz；實測阻尼比為0.760%～2.333%。

(2)如后頁圖12所示，在無障礙行車試驗和制動試驗時，1#跨和2#跨測試截面的最大動應(yīng)變?yōu)?7.04με。試驗過程中未發(fā)現(xiàn)動應(yīng)變急劇增加并在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)保持很大數(shù)值的現(xiàn)象。

(a)正載撓度

(a)正載應(yīng)變

(a)正載應(yīng)變

(3)由無障礙行車試驗動應(yīng)變時程曲線計算1#跨實測沖擊系數(shù)，沖擊系數(shù)在0.010～0.192。如圖12所示。

圖12 車速為40 km/h時1#跨跨中截面各測點的動應(yīng)變時程曲線圖

6 結(jié)語

橋梁維修加固是延長橋梁壽命、節(jié)約建造成本的主要途徑。針對剛架拱橋的構(gòu)件尺寸偏小、整體剛度低的缺點，本文從其結(jié)構(gòu)原理深入分析，采用了粘貼鋼板法，合理減輕加固自重，靜載、動載試驗表明加固后橋梁實測強度、剛度與頻率均優(yōu)于理論計算值，能滿足提載至“城-B級”的荷載等級要求，可為類似橋梁加固改造提供參考。