■張學(xué)霖

（福清市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局， 福州 350300）

剛架拱橋，興起于20 世紀(jì)80 年代，由于自重輕剛度小，易于施工，經(jīng)濟(jì)性好等特點，得到廣泛的應(yīng)用。 但隨著交通量的提升，現(xiàn)役剛架拱橋在服役期出現(xiàn)了影響結(jié)構(gòu)安全性、 適用性和耐久性的病害，主要表現(xiàn)為：拱腿開裂、弦桿開裂、橫系梁開裂脫落、橋面板開裂等。 處置剛架拱病害主要的方法是在開裂處采用黏貼鋼板或碳纖維板。 這種頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳的方法，僅僅從局部構(gòu)件考慮加固，沒有從整座橋梁結(jié)構(gòu)受力機理出發(fā)進(jìn)行分析處置，容易造成加固后1～2 年又變成病橋。 本研究區(qū)別于以往的加固方法，從結(jié)構(gòu)受力機理出發(fā)，通過有限元分析增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件并結(jié)合黏貼鋼板的方法有效地解決了剛架拱橋的病害問題。

1 工程概況

福清清榮大道立交位于福清市西北部，是清榮大道與玉田線相交的立交工程，清榮大道為東西走向干道，西接福廈路，東面通向元洪碼頭。 清榮大道主線主橋全長151.86 m，設(shè)計荷載為汽超-20，掛-120。 主橋為42.42 m+42.44 m+42.42 m 三跨鋼筋混凝土剛架拱，矢跨比1/8，橋面寬度：凈21.5 m（行車道）+2×1.9 m（人行道）=25.3 m；下部結(jié)構(gòu)采用重力式橋墩，擴(kuò)大基礎(chǔ)。 基礎(chǔ)持力層為強風(fēng)化凝灰?guī)r層，如圖1 所示。

圖1 福清清榮大道立交橋主橋立面圖

2 病害情況

根據(jù)檢測報告[1-3]該橋存在以下病害：（1）橋面鋪裝。 各主跨橋面鋪裝粗骨料裸露較嚴(yán)重，同時各跨橋面均存在縱向通縫， 縱向通縫主要位于第3#、4#、5#、6#主拱片對應(yīng)的路面位置，同時在外側(cè)行車道均較密集分布橫向裂縫；17# 臺頂非機車道路面沉降，長度范圍約10 m，路面存在積水，同時行車道存在橋頭跳車現(xiàn)象。 （2）剛架拱存在較多的拱肋裂縫，典型的剛架拱拱肋裂縫分布如圖2 所示。

圖2 典型剛架拱片裂縫分布情況

2012 年8 月20 日17 時30 分， 福清清榮大道立交橋主橋16 至17 孔（靠南側(cè)半幅車道，距文光中學(xué)約50 m）第3、4 片拱片之間某一預(yù)制橋面板局部突然脆裂，碎塊掉落橋底，所幸無人員傷亡。2016年4 月1 日17 時， 市政巡查人員在道路巡視過程中，發(fā)現(xiàn)福清清榮大道立交橋主橋16 至17 孔第4、5 片拱片之間某一預(yù)制橋面板局部突然脆裂，梁端出現(xiàn)斷裂。

3 病害產(chǎn)生的原因

經(jīng)初步分析認(rèn)為，病害產(chǎn)生的原因一方面是由于剛架拱橋?qū)儆谳p型橋梁，在車輛荷載作用下沖擊效應(yīng)較大。 現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)該橋上弦桿與橋臺連接處，在車輛荷載運行至橋梁跨中時，上弦桿和橋臺支座存在輕微脫空的現(xiàn)象（圖3），通過有限元軟件分析顯示該處支座存在負(fù)反力情況。 該橋在長期使用過程中，上弦桿存在著當(dāng)重車駛過其上部時被壓下，重車開到跨中時翹起的長期反復(fù)運動，造成橋面同一位置簡易伸縮縫處破損嚴(yán)重（圖4）。 同時由于存在這種現(xiàn)象，導(dǎo)致該橋使用階段，剛架拱橋上弦桿不斷受到?jīng)_擊，上弦桿的結(jié)構(gòu)受力模式從一邊固結(jié)一邊鉸接的模式轉(zhuǎn)變?yōu)閼冶蹢U件，同時承受比原先設(shè)想的受力模式更大的沖擊力，有限元分析表明實際上弦桿在汽車荷載作用下的根部彎矩較原設(shè)計的彎矩增大了145%， 即從594 kN·m 增大到1456 kN·m。 直接造成上弦桿裂縫超過規(guī)定限值（0.25 mm），并有逐年加大的趨勢。 另一方面該橋橋面板采用的是微彎板（圖5），板厚僅8 cm，微彎板簡支在拱片上整體性較差， 在上弦桿長期反復(fù)碰撞移動的過程中，微彎板支撐處逐漸脫離，導(dǎo)致2012 年8 月20 日掉落事故。 同時，微彎板受力模式是通過蓋板兩端鉸接在剛架拱片上形成兩鉸拱的結(jié)構(gòu)體系，該體系要求兩側(cè)的剛架拱片不能發(fā)生水平位移，而現(xiàn)實情況剛架拱片的上弦桿在豎向來回移動的過程中水平移動也同時發(fā)生，這就造成微彎板受力模式從拱轉(zhuǎn)變?yōu)榱旱男问健?由于微彎板根據(jù)拱模式配置的構(gòu)造鋼筋僅為直徑8 mm、 間距30 cm 的圓鋼，因此無法承受變成梁結(jié)構(gòu)的跨中彎矩，導(dǎo)致垮塌[4]。

圖3 重車荷載造成支座脫空示意圖

圖4 支座輕微脫空處橋面狀態(tài)現(xiàn)場

圖5 微彎板構(gòu)造圖

4 剛架拱片加固的原則

根據(jù)清榮大道立交橋檢測及計算分析結(jié)果，并考慮橋梁實際加固過程外界的交通狀況及橋梁本身裂縫發(fā)展的實際情況， 設(shè)計采用如下加固原則：（1）整體性原則。 橋梁加固應(yīng)從橋的整體性出發(fā)考慮問題，該橋加固原設(shè)想方案是在拱腿和斜桿處薄弱直接外包鋼板加固，通過分析發(fā)現(xiàn)外包鋼板后拱腿和斜桿局部位置內(nèi)力增大較多，需要進(jìn)一步增厚鋼板，然而增厚鋼板結(jié)果又增大了該位置及加固范圍外構(gòu)件的內(nèi)力，這就造成了負(fù)反饋效應(yīng)，越增加鋼板數(shù)量越無法滿足加固的要求， 落入加固陷阱中。 要解決這個問題需要從整體性出發(fā)，基于整座橋受力分析，另辟蹊徑，嘗試通過改變結(jié)構(gòu)受力體系實現(xiàn)加固的目的。（2）基于現(xiàn)有狀況原則。橋梁技術(shù)狀況會隨著時間的變化而改變，加固設(shè)計時應(yīng)對現(xiàn)有的技術(shù)狀況進(jìn)行評估， 通過先進(jìn)的檢測手段，獲得橋梁的技術(shù)狀況及參數(shù)， 如現(xiàn)狀混凝土強度、混凝土碳化深度、鋼筋銹蝕情況、混凝土氯離子狀況等，依據(jù)JTG/T H21-2011《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》逐項確定評定標(biāo)度，形成惡化系數(shù)，對理想狀況下的橋梁構(gòu)件承載能力進(jìn)行折減，并通過有限元模型考慮折減系數(shù)，只有全面考慮各種狀況的折減后，橋梁有限元模型方可模擬出真實的橋梁結(jié)構(gòu)性能，分析出內(nèi)力情況方可有效告[5]。 （3）全過程模擬施工原則。 因需加固的橋梁技術(shù)狀況均較差，一般為D 類甚至E 類橋梁。 加固時在病橋上施工，需進(jìn)行全過程模擬，避免因工程車等重載加劇橋梁的病害甚至造成倒塌的事故， 因此加固應(yīng)通盤考慮，盡量減少對現(xiàn)有橋梁構(gòu)件及其他結(jié)構(gòu)帶來二次損傷。

5 剛架拱片加固方案及加固效果

本工程采用結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換方法（圖6），從病根上鏟除病害，起到治本的效果。 具體如下：通過增設(shè)矩形鋼管作為豎桿，該豎桿在重車通過時為受壓構(gòu)件，重車行至跨中時為受拉構(gòu)件，這樣可以使得上弦桿不會在車輛荷載作用下上翹，上弦桿受力模式回歸接近原設(shè)計設(shè)想。 該豎桿設(shè)計的難點在于：一是當(dāng)豎桿受拉時如何保證拉力的有效傳遞。 本工程采用在上弦桿黏貼鋼板的方法傳遞豎桿拉力，在上弦桿上對裂縫進(jìn)行注膠封閉后，黏貼鋼板可以增加上弦桿的強度，同時也提高了上弦桿的剛度；二是豎桿底部如何與拱腿、斜撐可靠連接。 本工程方案是結(jié)合拱座黏貼鋼板，采用大鋼板把剛架橋的斜撐和拱腿一起保護(hù)起來，同時在斜撐、拱腿、拱座間隙處填充環(huán)氧樹脂混凝土，且把豎桿埋入環(huán)氧樹脂混凝土中，并采用鋼構(gòu)件與兩側(cè)的大鋼板焊接成整體共同受力。 這個方案在增加拱腿和斜撐的剛度和強度同時，減少了該橋計算跨徑，有效地兼顧了增設(shè)豎桿和處置拱腿開裂導(dǎo)致剛度下降的問題。

圖6 上弦桿下部增設(shè)豎桿加固圖

建立如圖7 所示的加固前有限元模型和圖8加固后有限元模型[6]，加固前橋梁軸力及彎矩如圖9、10 所示， 加固后橋梁軸力及彎矩如圖11、12所示。 對比加固前后最大軸力基本保持不變，加固前彎矩最大值為6430 kN·m 降低到5330 kN·m，表明加固的效果良好。 加固后加勁豎桿如圖13 所示，對比加固前后橋梁的檢測結(jié)果，該橋動力性能得到極大的改善，理論自振頻率由3.14 Hz 提升至3.88 Hz，實測自振頻率由3.52 Hz 提升至5.47 Hz，反應(yīng)結(jié)構(gòu)剛度得到有效的提高。 圖14 為加固前實測頻譜圖，圖15 為加固后實測頻譜圖，圖16 為加固前后實測振形圖， 圖17 為加固前理論振形圖，圖18 為加固后理論振形圖。 加固后檢算結(jié)果表明：設(shè)計荷載作用下，檢算構(gòu)件控制截面的荷載效應(yīng)與抗力比值均小于1， 主橋上部結(jié)構(gòu)承載能力滿足設(shè)計荷載（汽車-超20 級，掛車-120；人群3.0 kPa）作用下的使用要求。 加固前橋面病害及加固后3 年后原位置修復(fù)效果現(xiàn)場照片如圖19 和圖20 所示，從外觀看加固使得原病害消失，加固效果良好。

圖7 加固前有限元模型

圖8 加固后有限元模型

圖9 加固前的剛架拱片軸力圖

圖10 加固前的剛架拱片彎矩圖

圖11 加固后的剛架拱片軸力圖

圖12 加固后的剛架拱片彎矩圖

圖13 加固后的豎桿立面圖

圖14 加固前實測頻譜圖

圖15 加固后實測頻譜圖

圖16 加固前后實測振型圖

圖17 加固前理論振型圖

圖18 加固后理論振型圖

圖19 加固前橋面狀態(tài)現(xiàn)場

圖20 加固后橋面狀態(tài)現(xiàn)場

6 結(jié)論

本文提出剛架拱橋通過增設(shè)豎桿把拱片的上弦桿和拱座連接起來使得上弦桿不會在車輛荷載作用下上翹， 上弦桿受力模式回歸接近原設(shè)計設(shè)想。 并把該方案應(yīng)用于福清清榮大道立交橋主橋的加固，提高了橋梁靜力和動力性能，起到良好的加固效果。