老舊肋拱橋主拱肋承載能力分析與加固設計

錢 好

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430052）

1 引言

鋼筋混凝土肋拱橋作為國內90年代廣泛應用的橋梁結構形式，除主要結構部件外往往大量運用砂石填料和漿砌片石、塊石等工程材料，具有造價低、材料省、施工工藝易掌握、橋型美觀、跨徑適應性大等優點。但原設計荷載等級較低，公路超載超限服役、年久失修等造成拱肋結構材料性能劣化和實際承載能力不足等問題較為嚴峻。按原荷載等級和設計理論建造的既有肋拱橋，能否提高使用等級[1]，與既有橋梁承載能力評價和加固措施的選用等直接相關。祝于紅等[2]從某重載雙曲拱橋病害調查和承載能力分析入手，對提出的拱肋截面增大、橫系梁加大和鋼板粘貼的加固方案，并對其進行靜動載試驗以驗證其加固有效性；夏學鋒等[3]對某組合式拱橋進行了不阻斷交通條件下的改造和加固研究；林鳴等[4]通過橋梁外觀檢查和荷載試驗等方式分析某舊雙曲拱橋承載能力，討論此類拱橋承載能力評定的技術誤區。

目前，針對既有肋拱橋肋材料劣化和截面性能削弱的承載能力評估工程案例不多，加固技術研究多集中在拱肋截面加固，對橋梁整體改造加固的案例較少。既有老舊肋拱橋的承載能力評估往往因年代久遠缺失必要的設計及養護資料，依賴現場檢測數據對橋梁結構信息的還原，實測數據的準確全面性對于結構有限元計算分析和加固改造設計的深度影響很大。

文章依托某公路老舊肋拱橋檢測、承載能力分析和全橋改造加固設計，針對其材料劣化和拱肋截面嚴重削弱的問題，進行檢測與承載能力評估，并提出經濟適用的加固改造設計方案，以期為類似老舊肋拱橋加固改造工程提供借鑒作用。

2 工程概況

某五跨空腹式鋼筋混凝土肋拱橋跨徑組合為5 m×27 m，其中第1～2跨為跨中鉸接拱，第3～5跨為無鉸拱。橋面寬為凈6.0 m+（2×1）m（人行道）。各跨主拱圈由6片拱肋組成，7道橫系梁及預制蓋板構成，拱上結構由拱上側墻、腹拱及拱上填料等組成，3#孔設置7個腹拱，其余各孔設置6個腹拱。下部結構為漿砌片石墩、重力式臺及擴大基礎。橋面鋪裝層鉆芯顯示為13 cm厚水泥混凝土鋪裝層。原設計荷載為汽車-15級、掛車-80級，雙向兩車道，限速40 km/h 通行。

對該肋拱橋常規檢查中發現主拱圈拱肋出現多處銹脹露筋、蜂窩麻面，部分鋼筋銹蝕斷裂，腹板和拱腳局部出現裂縫，擬對橋梁進行加固改造。為確定既有橋梁結構能否利用或其病害及隱患經處置后能否滿足后續使用功能，通過橋梁檢測評估其橋梁技術狀況，確定各結構損傷程度及病害產生原因，繼而對主拱肋承載能力進行檢算，并評價其利用價值，再針對性地進行病害維修加固，以恢復其主拱肋結構承載能力。

3 橋梁檢測

3.1 檢測重點

肋拱橋因建設年代久遠導致施工圖紙缺失，檢測工作除常規病害調查外，需重點對橋梁恒載變異狀況進行調查，包括材料強度、結構形式、拱肋軸線線形、截面尺寸、截面配筋及橋面鋪裝層厚度等關鍵結構參數的檢測，作為承載能力檢算的計算依據。

一般而言，肋拱橋的破壞往往與關鍵截面的抗彎和抗剪承載能力不足直接相關[5]，而此類拱橋的荷載作用效應與主拱肋實際軸線線形緊密相關，不合理拱軸線形往往不利于主拱肋承壓特性的有效發揮。再者，此類肋拱橋原設計的拱上結構及填料、鋪裝層等恒載的作用對主拱肋受力特性影響很大，結構計算中需要準確模擬恒載的實際大小和分布情況，改造加固設計中也要盡量減少新增荷載。因此，檢測中重點對拱肋軸線線形、鋪裝層厚度等參數進行了精確復測，以對主拱肋準確建模并進行承載能力檢算。

3.2 外觀檢查

根據橋梁現場踏勘和外觀病害檢查結果，該橋主要病害為：主拱圈拱腳出現多處嚴重銹脹露筋，部分鋼筋銹蝕斷裂，拱肋腹板和拱腳豎向裂縫，拱肋截面削弱嚴重，如圖1所示。該肋拱橋因拱肋截面削弱嚴重，主拱圈評為4類部件，按照《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）中主要部件最差缺損狀況評定方法，該橋橋梁綜合技術狀況評定等級為4類橋。

圖1 主拱肋典型病害圖

主拱肋拱腳處常年受河水侵蝕干濕交替，截面外側鋼筋銹脹甚至銹斷，截面底部混凝土剝落。拱腳截面及其他受彎拉應力較大的截面，其截面損傷更為嚴重。主拱肋等主要承重構件的拱腳和拱圈出現大量裂縫，主要原因是不斷增加的重載車輛的長期作用和動荷載的沖擊作用。

同時該橋還存在墩臺受水流侵蝕，局部砂漿脫落，漿砌片石外露；橋面混凝土鋪裝出現多條縱向、橫向裂縫，局部網裂、斷角等病害。且現狀單側人行道凈寬僅0.75 m，橋梁行人通行量較大，無法滿足上下班高峰期行人通行需求。

3.3 恒載變異狀況檢測

為準確測出各跨肋拱軸線線形，采用高精度全站采集全部5跨拱肋軸線的三維坐標，對各實測線形進行擬合分析得到實測主拱肋軸線線形，拱肋矢高4.017 m，跨徑25.976 m，拱肋矢跨比為1∶6.5。

對混凝土橋面鋪裝層的鉆芯厚度測量值進行分析得到其鋪裝層厚度為13.0 cm。拱上填料取樣判明主要為輕質爐渣與填土混合填料。

同時，對主拱肋等主要構件截面尺寸進行詳細測量，并對主拱肋內部鋼筋布置情況進行檢測，綜合參考此類肋拱橋設計圖集和有關文獻資料，得到主拱肋截面尺寸及配筋信息如圖2所示。

圖2 主拱肋截面及配筋圖（截面尺寸單位：cm）

主拱肋截面上緣、下緣鋼筋布置推斷為4Φ18（2層），間距12 cm；腹筋為Φ10（5層），間距為9～10 cm。

承載能力檢算系數的取定對于結構自振頻率的權重較大，該參數主要反映結構整體性能和受力體系的改變，評價橋梁工作狀況。同時，自振頻率也是橋梁上部結構整體剛度性能的表征，檢測時為保證對主拱肋結構的頻率識別，將傳感器直接安置于主拱肋結構上進行信號采集，而不同于常規放置于橋面跨中典型截面上。該橋自振頻率檢測結果表明主拱肋結構實際剛度性能較理論結構剛度大，主拱肋整體性能良好。

3.4 結構檢算說明

根據規范《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2011）中第7.1.6條，當橋梁結構或構件的承載能力檢算系數評定標度D≥3時，應進行正常使用極限狀態評定計算。橋拱肋的承載能力檢算系數評定標度D=2.71，無需進行正常使用極限狀態檢算，僅對該肋拱橋在持久狀況下承載能力極限狀態和原橋設計狀態下的正常使用極限狀態檢算。承載能力極限狀態針對結構的截面強度和穩定性，正常使用極限狀態主要針對結構或構件的剛度和抗裂性[6]。

采用Midas Civil橋梁有限元分析軟件建立空間梁格模型，拱肋、拱腳、橫向聯系、拱上立柱均采用梁單元模擬，橋面板、腹拱、拱肋蓋板采用板單元，拱上填料按等效荷載以節點荷載和梁單元荷載分別施加在腹拱和腹拱立墻上。模型中對跨中鉸接拱的拱腳處進行固結約束，拱肋跨中鉸接采用釋放梁端彎矩約束進行模擬；而無鉸拱只對其拱腳進行固結約束；橋面板單元采用彈模很小的虛擬梁板模擬，只傳遞二期等豎向力荷載。計算模型主拱肋考慮5 cm拱肋蓋板厚度參與結構受力。梁格法空間計算模型，如圖3所示。

圖3 Midas梁格法空間計算模型局部圖

該肋拱橋主拱肋作為典型的大小偏心受壓構件，需要按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ 023—85）中第4.1.17條T形截面偏心受壓構件驗算其正截面強度。結構按承載能力極限狀態設計，其基本組合采用JTJ 023—85規定的3種承載組合，正常使用極限狀態也包含3種使用組合。

損傷前原設計狀態承載能力計算結果需要根據檢測結果由規范JTG/T J21—2011求得結構檢算系數并進行承載能力修正，從而得到損傷后的實際承載能力。

3.5 結構檢算結果

承載能力荷載組合3：1.1恒載+1.3收縮徐變+1.3汽車+1.3人群+1.3整體降溫。以跨中鉸接拱為例，圖4和表1為承載能力組合3作用下主拱肋各特征截面的拱肋彎矩和軸力最大內力計算結果。

表1 跨中鉸接拱承載能力組合3最大內力結果表

圖4 承載能力組合3作用下彎矩和軸力圖

由規范公式通過受壓區高度值進行大偏心和小偏心受力類型判別，根據偏心類型分別對最大軸力截面強度和最大彎矩截面強度進行驗算，判斷軸力和彎矩承載能力是否滿足，見表2。

表2 承載能力荷載組合3最大彎矩截面強度驗算

然后根據結構檢算系數修正截面損傷修正后的強度，見表3。

表3 承載能力荷載組合3最大彎矩損傷修正截面強度驗算

以跨中鉸接拱在承載能力荷載組合3作用下，最大彎矩工況的正截面抗彎承載能力和抗壓承載能力為例，對承載能力極限狀態檢算進行了說明。正常使用極限狀態僅對原橋設計狀態下拱肋正常使用極限狀態進行檢算。截面損傷前的正常使用極限狀態檢算包括變形和拱肋截面應力驗算，驗算結果滿足相關規范要求。

肋拱橋建設年代久遠，施工圖紙缺失，根據現場調查和檢測結果確定橋梁相關材料、結構形式、幾何尺寸、配筋等信息。經結構檢算分析表明，以《公路橋涵設計通用規范》（JTJ 021—89）汽車-15級、掛車-80、人群荷載-3.0 kN/m2作為檢算活荷載，1～2跨跨中鉸接拱、3～5跨無鉸拱損傷前驗算均滿足85規范要求；考慮損傷后拱腳處正截面強度不滿足規范要求。

4 整體改造與加固

4.1 改造加固思路

整體改造與加固仍維持原設計荷載標準，以保證橋梁結構安全和耐久性，加固思路如下：

（1）對橋面鋪裝進行改造，增強主拱圈受力整體性，提高橋梁結構的安全性；

（2）考慮損傷后拱腳處截面強度驗算不滿足要求，對主拱肋拱腳范圍外包加固處理，并對墩臺外包加固，提高耐久性和安全性；

（3）對混凝土表面常規病害進行常規耐久性修復和耐久性涂裝處理。

4.2 橋面改造

現狀單側人行道凈寬僅75 cm，該橋行人通行量較大，將原1 m人行道擴寬為1.5 m，以滿足行人需求。人行道采用輕質鋼結構，減少新增恒載。同時將原橋面鋪裝更換為25 cm厚整體化現澆層，增強主拱圈受力整體性。

4.3 拱肋外包加固

對拱腳部分主拱肋、墩臺外包鋼筋混凝土加固，增強結構安全性和耐久性，如圖5和圖6所示。

圖5 拱腳部分主拱肋、墩臺外包鋼筋混凝土加固布置圖

圖6 拱腳部分主拱肋外包鋼筋混凝土加固細部圖（單位：cm）

拱肋拱腳范圍外包鋼筋混凝土加固，外包C30自密實混凝土。截面兩側面均加厚15 cm，底部加厚30 cm，頂部外包混凝土范圍與拱肋蓋板底部齊平。外包混凝土主要受力鋼筋采用φ16的HRB400鋼筋，構造筋和植筋采用φ12的HRB400鋼筋。

5 加固后承載能力評估

經改造加固后的主拱圈承載能力見表4，以加固前、加固后承載能力荷載組合3最大彎矩截面強度的結果對比為例，主拱肋各特征截面的承載能力得到了明顯提高，加固后軸力和彎矩抗力值均大于設計內力值，且具有一定安全儲備系數。拱腳處抗彎承載能力最大提高至加固前的2.5倍，表明外包鋼筋混凝土增大截面加固措施是合理有效的。

表4 加固前后承載能力荷載組合3最大彎矩截面強度驗算

6 結論

（1）該肋拱橋主拱圈拱腳多處鋼筋嚴重銹蝕甚至斷裂，拱肋截面削弱嚴重致使主拱圈拱腳截面抗彎承載力不足。年久失修是主觀原因，拱肋截面底部流水侵蝕導致銹脹露筋嚴重，拱肋鋼筋混凝土材料劣化是客觀原因。承載能力檢算分析中應準確計入材料劣化和截面損傷等不利因素對承載能力的削弱影響。

（2）由改造加固前后的承載能力檢算結論表明，肋拱橋采用“橋面改造+拱肋及墩臺外包加固+病害修補及涂裝層改造”的改造加固設計方案，可有效提高主拱圈承載能力，同時增強主拱圈受力整體性及結構耐久性。

（3）對于此類老舊肋拱橋的改造加固工程應注意對新增結構恒載的控制，使主拱肋的原本彎壓受力體系保持合理狀態，同時為保證增大截面加固法對于新老結構的受力協同性，應選用性能相近的材料對加固范圍和加固效果進行合理性評估。