某剛架拱橋檢測加固及承載力分析

黃海彬， 廖海峰

(1.寧波市城建設(shè)計研究院有限公司，浙江 寧波 315012； 2.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430102)

0 引 言

鋼架拱橋是我國常用的一種橋梁架構(gòu)形式，在拱橋中占有很大比重。其具有強大的助推力保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且還有自重輕、節(jié)省材料、施工簡便、適應(yīng)性強等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣，是一種值得推薦的橋型。在國內(nèi)大部分地區(qū)都可以看見鋼架拱橋的建構(gòu)模式，有一些既有鋼架拱橋由于建成年代比較久遠(yuǎn)，在當(dāng)時技術(shù)不成熟、施工經(jīng)驗缺乏的情況下經(jīng)過長期使用，車輛長期作用使橋梁產(chǎn)生損傷，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)構(gòu)件老化、材料強度降低等問題[1,2]。由于鋼架拱橋自重較輕，其穩(wěn)定性也比一般的橋梁更差，在出現(xiàn)損傷后更容易造成安全事故，嚴(yán)重影響了城市的交通發(fā)展和人民群眾的生命安全。結(jié)合剛架拱橋的結(jié)構(gòu)特點，通過對既有鋼架拱橋承載力進(jìn)行分析研究[3,4]，針對病害制定特定的檢測加固方法，加強拱片的結(jié)構(gòu)強度，可恢復(fù)橋梁使用功能，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 鋼架拱橋外觀檢測病害及原因

1.1 橋面系病害

經(jīng)檢測，橋面系主要病害有橋面鋪裝出現(xiàn)破損、坑槽；護(hù)欄出現(xiàn)露筋、缺失；伸縮縫裝置出現(xiàn)泥沙堵塞、橋面鋪裝層與伸縮縫裝置之間出現(xiàn)高低差等。

橋面鋪裝的好壞關(guān)系著車輛能否安全舒適地行駛，橋面鋪裝的病害問題，會造成汽車行駛過程中駕駛員心情不佳，路面的不平整也會導(dǎo)致司機(jī)駕駛難度增加，容易引發(fā)交通事故。除此之外，鋪面鋪裝的損壞還會導(dǎo)致汽車對橋梁的沖擊強度增大，從而引發(fā)對橋梁整體結(jié)構(gòu)的損壞，影響橋梁的使用壽命。

1.2 拱片病害

經(jīng)外觀檢測，拱片病害主要有頂部出現(xiàn)裂縫、混凝土層剝落銹筋等，拱頂?shù)牧芽p主要是正彎矩引起的。由于車輛的頻繁通過，產(chǎn)生較大的振動，鋼架拱截面面積普遍較小，其承載能力較低，在汽車荷載長期作用下，拱圈整體性不斷變差，從而出現(xiàn)拱頂附近的徑向裂縫。早期建設(shè)橋梁時混凝土強度不夠，橋梁設(shè)計承載能力較低，經(jīng)過長期的自然因素破壞和車輛荷載沖擊，混凝土結(jié)構(gòu)強度降低，碳化嚴(yán)重，出現(xiàn)表面麻面、剝落、鋼筋外露等現(xiàn)象，造成主筋截面損失，從而導(dǎo)致全橋整體下?lián)稀?/p>

1.3 微彎板及橫系梁病害

微彎板的主要病害有裂縫和混凝土破損，橫系梁的病害主要是豎向裂縫。微彎板出現(xiàn)病害的主要原因是支承不均勻，其局部受力較大，橋梁微彎板本身配筋較少，在汽車荷載的作用下容易產(chǎn)生混凝土開裂損壞。由于橋梁橫系梁和橋面鋪裝的破損，隨著交通量的增大，在車輛荷載長期不均勻壓力作用下，相鄰拱片變形不協(xié)調(diào)，使得橫系梁與拱片之間產(chǎn)生較大的應(yīng)力，甚至導(dǎo)致橫系梁焊縫開裂，橋梁的橫向聯(lián)系降低。

1.4 鋼筋銹蝕病害

經(jīng)外觀檢測，本橋拱片、拱腳以及橫系梁等多處部位存在鋼筋銹蝕病害，鋼筋銹蝕病害產(chǎn)生的主要原因是橋梁使用年限較長，混凝土由于施工或自然因素等原因出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，保護(hù)層厚度不夠，造成鋼筋受到侵蝕。鋼筋銹蝕會造成混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能發(fā)生改變，使鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)能力降低，鋼筋發(fā)生體積膨脹并伴隨抗拉強度降低，混凝土保護(hù)層被鋼筋膨脹力脹破，造成混凝土有效截面減小。

2 剛架拱橋穩(wěn)定性分析

在進(jìn)行拱橋的穩(wěn)定性分析時，通常將穩(wěn)定問題分為兩類。第一類穩(wěn)定問題是指沒有荷載偏心的拱橋承受荷載較大，超過其承載能力，拱橋失去原有的平衡狀態(tài)產(chǎn)生縱向失穩(wěn)或者橫向失穩(wěn)，結(jié)果導(dǎo)致拱的承載能力喪失。第二類穩(wěn)定問題是指存在軸心偏壓的拱在荷載作用下材料在達(dá)到塑性狀態(tài)后被壓潰，其變形是按由線性到非線性的規(guī)律發(fā)展的。一般情況下，拱橋失穩(wěn)都是第二類穩(wěn)定問題，其在整體失穩(wěn)破壞之前，局部已經(jīng)發(fā)生破壞，屬于幾何、材料雙重非線性極值點問題，采用這一方法進(jìn)行分析還有一定的困難，并且由于第二類穩(wěn)定問題極值點的上限就是第一類穩(wěn)定問題的求解值，在我國一般拱橋驗算只分析第一類穩(wěn)定問題[5,6]。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

某在役鋼架拱橋建成年限較長，設(shè)計承載能力偏低，伴隨著增長較快的交通量以及橋梁年久失修的狀況，基于其基本數(shù)據(jù)，采用MIDAS Civil 2017空間橋梁專用軟件進(jìn)行有限元分析。橋梁全長20.258 m，寬10.95 m，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為公路—Ⅰ級，雙向二車道布置，計算行車速度為60 km/h，設(shè)計的荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽超-20，掛-120。建立有限元模型，如圖1所示，將結(jié)構(gòu)離散化，全橋共劃分為373個節(jié)點和374個單元。

圖1 橋梁有限元模型

3.2 鋼架拱橋靜力分析

3.2.1 撓度分析

對計算結(jié)果進(jìn)行分析時，取主拱圈中拱腳、拱頂、1/8點和1/4點進(jìn)行撓度分析，并且取半圈拱進(jìn)行計算即可。通過計算結(jié)果可知邊跨拱的豎向位移較其他拱肋大，取第一條拱肋作為分析對象，結(jié)果見表1。(撓度向上為正)

表1 不同工況作用下各截面撓度值(單位：mm)

從結(jié)果看，本橋的最大撓度接近跨徑的1/600，結(jié)構(gòu)剛度已稍有不足。位移最大處為拱頂處，需對拱片進(jìn)行加固處理。

3.2.2 承載力分析

對于本橋的承載力驗算，主要是對其受力部位進(jìn)行驗算，驗算部位有主拱腿拱腳及其頂部、次拱腿拱腳及其頂部、拱頂和實腹段端部。這些構(gòu)件都是壓彎構(gòu)件，因此主要進(jìn)行軸心受壓和偏心受壓驗算。計算結(jié)果見表2。

表2 基于Z1拱片承載能力驗算結(jié)果

3.3 分析結(jié)論

結(jié)合本鋼架拱橋的撓度分析和截面內(nèi)力分析可以看出，本剛架拱橋在車輛荷載作用下?lián)隙容^大，撓度最大處在拱頂，相對而言，拱腿和實腹段位移較小，隨著荷載的增大，跨中處橋面板最容易產(chǎn)生塑性變形，并導(dǎo)致橋梁坍塌。

根據(jù)承載力分析結(jié)果，各部位均滿足軸心受壓要求，次拱腿拱腳和頂部不滿足偏心受壓要求，需盡快進(jìn)行加固處理。

4 剛架拱橋加固改造方法

4.1 橋面鋪裝補強

對于橋面系的破壞和磨損，可以先鑿除舊橋面鋪裝層，加鋪一層新的鋼筋混凝土，為提高橋面鋪裝強度，可鋪設(shè)雙鋼混凝土，安裝錨固鋼筋與橋面鋼筋網(wǎng)互相連接，之后再新澆混凝土。這種方式與澆筑普通混凝土相比，可提高橋梁承載能力和使用壽命。

4.2 主梁截面增強

鋼架拱橋直接受力部位是橋梁的上部結(jié)構(gòu)，其主要病害有橋梁裂縫、混凝土破損蜂窩麻面以及主梁承載能力達(dá)不到要求等，針對這些問題，可采用以下幾種方法進(jìn)行加固：

(1) 對于拱片的裂縫病害，可采用壓力灌漿法將水泥漿和混凝土砂漿灌入裂縫中，從而修補橋梁裂縫；針對拱肋表面混凝土的蜂窩麻面，可噴射砂漿來填補混凝土的破損、缺失。

(2) 主梁的承載能力對橋梁的安全性至關(guān)重要，拱頂存在正彎矩經(jīng)常導(dǎo)致截面產(chǎn)生裂縫，針對這種問題，解決的主要思路是加強拱肋從而增大梁的承載能力。常用方法有粘貼鋼板加固、粘貼碳纖維布以及增大拱肋截面。粘貼鋼板與粘貼碳纖維布步驟類似，但是碳纖維布可根據(jù)施工需要裁減所需要的形狀和尺寸，不需要大型設(shè)備，工人可手工操作，施工相較于粘貼鋼板方便快速；除了粘貼鋼板和碳纖維之外，還可以通過增大主梁截面面積，首先鑿除受損的混凝土表面，通過鋼筋和混凝土外包梁體，從而提高拱片的抗彎截面，增大剛架拱橋的承載能力。

4.3 橫向聯(lián)系加固

剛架拱橋自重較輕，橫向連接強度不夠。加強橫向聯(lián)系剛度可增加橫向系梁截面面積，通過新增橫隔板或者施加橫向預(yù)應(yīng)力可提高橋梁整體橫向剛度，提高其承載能力，但同時也會增加橋梁重量，施工的同時要考慮橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；橫系梁承載能力不足時可采用粘貼鋼板法，粘貼碳纖維布法或者增大截面法處理，采用粘貼鋼板法和粘貼碳纖維法加固時，要注意鋼板或纖維布的尾端應(yīng)錨固于拱肋上，施工的關(guān)鍵在于保證粘貼得牢固可靠。

4.4 拱腿加固

對于拱腿的加固，可以通過在拱腿四周外包鋼或者碳纖維布進(jìn)行加固，也可以采用增大截面法加固。

(1) 采用增大截面法進(jìn)行加固時，首先要將舊混凝土進(jìn)行鑿毛處理，除去已經(jīng)破壞松散的混凝土，使混凝土的結(jié)合面平整堅固，需控制植筋的鉆孔深度，保證新舊混凝土結(jié)合牢固，并加強后澆混凝土的養(yǎng)護(hù)。

(2) 外包鋼進(jìn)行加固的優(yōu)點有穩(wěn)定性好、受力可靠，施工也較簡便快速，在實際工程中有廣泛的應(yīng)用。進(jìn)行外包鋼加固要注意鋼結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)連續(xù)平整，灌漿要保證達(dá)到一定的壓力。

(3) 碳纖維質(zhì)量輕、抗拉強度高、體積小并且性能穩(wěn)定，是一種廣泛應(yīng)用于橋梁工程的加固材料。在進(jìn)行加固時纖維布的方向應(yīng)沿截面的環(huán)向進(jìn)行，加固前應(yīng)將拱腿四角修成倒圓角形狀，防止應(yīng)力集中造成纖維布破損。

5 結(jié) 論

剛架拱橋服役期間承載力是一種由強轉(zhuǎn)弱的變化趨勢，經(jīng)外觀檢測，本剛架拱橋各部位老化嚴(yán)重，多個部位出現(xiàn)鋼梁銹蝕、混凝土脫落和裂縫等病害。經(jīng)有限元分析，本橋跨中處撓度值較大，次拱腿處偏心受壓已不能滿足要求，隨著交通量的增大對承載力的要求不斷提高，需要對橋進(jìn)行整體的加固維修處理，以避免發(fā)生安全事故。具體加固維修措施如下：

(1) 由于橋面鋪裝損壞較嚴(yán)重，并且目前重車較多，將橋面鋪裝和附屬設(shè)施進(jìn)行拆除重建。

(2) 對于裂縫進(jìn)行灌漿處理，將表面混凝土用砂輪機(jī)和鋼絲刷打磨干凈，去除灰塵和脫落的混凝土塊后注入BL-SEAL漿液。

(3) 對于拱片將其上有混凝土破損的地方用結(jié)構(gòu)修補膠進(jìn)行修補，并將表層混凝土磨光使其平整，之后進(jìn)行粘貼碳纖維布處理。

(4) 由于次拱腿偏心受壓不滿足要求，采用增大截面法加固。將次拱腿表面存在的缺陷清理干凈，并進(jìn)行鑿毛處理，對原有鋼筋進(jìn)行除銹處理，逐根焊接新設(shè)受力鋼筋，最后澆筑混凝土。