賴蒼林

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350025)

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既有鋼筋混凝土剛架拱橋承載能力評(píng)定與加固

賴蒼林

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350025)

以一座鋼筋混凝土剛架拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)與技術(shù)狀況檢查、靜載試驗(yàn)、承載力檢算等方法，對(duì)橋梁狀況進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明，該橋的技術(shù)狀況等級(jí)為四類，主要構(gòu)件有大的缺損，嚴(yán)重影響橋梁使用功能或承載能力，不能保證正常使用。拱腳承載能力不滿足要求。針對(duì)此剛架拱橋構(gòu)件承載力不足、構(gòu)件間連接弱、結(jié)構(gòu)整體性差，變形較大的問題，提出若干加固措施，以提高承載力和增強(qiáng)整體性。

剛架拱橋；橋梁加固；橋梁靜載試驗(yàn)；承載力評(píng)定

0 引言

剛架拱橋?qū)儆谳p型拱橋，曾因具有構(gòu)件少、自重輕、節(jié)省材料、施工簡(jiǎn)便、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)而在我國得到了較廣泛的應(yīng)用[1]。但由于早期的設(shè)計(jì)水平和荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低，且此類拱橋整體性較差、橫向穩(wěn)定性往往不足、變形較大，容易導(dǎo)致拱肋產(chǎn)生較大撓度并使得主拱片、橫系梁、微彎板等構(gòu)件開裂，影響橋梁的正常使用和行車安全[2-3]。因此，需對(duì)可能存在安全隱患的剛架拱橋進(jìn)行承載力評(píng)估和維修加固，以求在滿足經(jīng)濟(jì)性要求前提下提高橋梁的承載能力。實(shí)踐中通過在橋上施加車輛荷載，實(shí)測(cè)橋梁的撓度、應(yīng)變等參數(shù)，根據(jù)規(guī)范檢算評(píng)價(jià)拱橋的實(shí)際承載力是否滿足要求。若評(píng)估表明，拱橋的承載能力和整體剛度不滿足設(shè)計(jì)荷載的要求，則可以通過加固的方式來提高橋梁承載力和可靠性[4-5]。常用的加固方法有橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法、增強(qiáng)橫向聯(lián)系加固法、拱肋增大截面法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、噴錨混凝土加固法、粘貼碳纖維布或鋼板加固法等[6]。

本文以一座鋼筋混凝土剛架拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，首先通過外觀檢查發(fā)現(xiàn)拱橋在長(zhǎng)期運(yùn)營后發(fā)生的病害，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)體檢測(cè)，然后基于靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)橋跨的撓度、應(yīng)變等，根據(jù)規(guī)范檢算評(píng)定了橋梁的承載能力，最后針對(duì)該橋承載力不足和既有病害的問題，提出維修加固方案。本文所述的相關(guān)過程和方法可為同類剛架拱橋的檢測(cè)評(píng)估及維修加固提供借鑒作用。

1 工程概況

某鋼筋混凝土剛架拱橋，全長(zhǎng)59.6m，寬21m，上部結(jié)構(gòu)為凈跨3m的鋼筋混凝土矮肋板梁+凈跨50m鋼筋混凝土剛架拱+凈跨3m鋼筋混凝土矮肋板梁，橫向布設(shè)7片間距3.2m的剛架拱片。橋面鋪裝連續(xù)，兩側(cè)橋頭各設(shè)置了簡(jiǎn)易伸縮縫。橋面板為矢跨比1/16、厚6cm的微彎板及現(xiàn)澆混凝土填平層。橋面寬度為3.35m(人行道)+14.3m(車行道)+3.35m(人行道)。下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土組合式橋臺(tái)。橋梁布置圖如圖1～圖2所示。為配合城鎮(zhèn)道路改造，需在橋面上加鋪10cm瀝青路面。考慮到舊橋經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)營，已出現(xiàn)一些病害，可能存在承載力不足的情況，需評(píng)價(jià)該橋梁實(shí)際承載力和整體剛度。若不符合要求，則需要進(jìn)行加固處理，加固后的橋梁應(yīng)能滿足公路-Ⅱ級(jí)、人群3.5kN/m2(加鋪10cm瀝青混凝土鋪裝層)荷載等級(jí)的使用要求。

2 結(jié)構(gòu)檢測(cè)與技術(shù)狀況評(píng)定

對(duì)剛架拱橋進(jìn)行了外觀檢查，發(fā)現(xiàn)該橋存在的主要病害有：①橋面較大面積坑洞、露筋損壞，微彎板普遍開裂；②人行道破損和路緣石缺失；③拱肋蜂窩麻面，拱腳露筋銹蝕，橫系梁混凝土剝落；④橫系梁、拱腳、拱肋跨中實(shí)腹段及大小節(jié)點(diǎn)附近弦桿段存在較多裂縫，部分裂縫超過規(guī)范限值0.25mm。根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21-2011)[7]，采用分層綜合評(píng)定與5類橋梁?jiǎn)雾?xiàng)控制指標(biāo)相結(jié)合的方法對(duì)橋梁進(jìn)行技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定，即先對(duì)橋梁各構(gòu)件進(jìn)行評(píng)定，然后對(duì)橋梁各部件進(jìn)行評(píng)定，再對(duì)橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行評(píng)定，最后進(jìn)行橋梁總體技術(shù)狀況的評(píng)定。經(jīng)評(píng)定，該橋的總體技術(shù)狀況評(píng)分為57.88，技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為四類，即主要構(gòu)件有大的缺損，嚴(yán)重影響橋梁使用功能或承載能力，不能保證正常使用。

此外，對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)體檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)抽取部分剛架拱片的拱腿、斜撐、弦桿段，采用回彈法進(jìn)行現(xiàn)齡期混凝土強(qiáng)度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，所檢部位混凝土強(qiáng)度滿足原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30要求。所抽檢構(gòu)件的鋼筋分布符合原設(shè)計(jì)圖紙要求。同時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，拱腳頂部鋼筋保護(hù)層較規(guī)范要求值偏小，拱腳區(qū)域有銹蝕活動(dòng)性，但銹蝕狀態(tài)不確定，可能坑蝕。

3 靜力荷載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

本次剛架拱橋靜載試驗(yàn)分2個(gè)工況進(jìn)行，試驗(yàn)加載車輛的布置根據(jù)各控制截面在公路-Ⅱ級(jí)，人群3.5kN/m2(考慮了10cm瀝青鋪裝層)作用下的最不利效應(yīng)值，按照內(nèi)力等效原則計(jì)算而得。試驗(yàn)采用5部三軸載重汽車進(jìn)行加載，使得靜載試驗(yàn)荷載效率 為0.95～1.02，滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)[8]的要求。各工況內(nèi)容如表1所示。

圖1 橋立面布置圖(單位：cm)

圖2 橋橫斷面布置圖(單位：cm)

工況內(nèi)容量測(cè)內(nèi)容設(shè)計(jì)理論值試驗(yàn)理論值荷載效率工況一右偏加載跨中最大正彎矩(kN.m)節(jié)點(diǎn)最大負(fù)彎矩(kN.m)拱腿最大軸力(kN)拱片位移,應(yīng)變、裂縫2002011.01-533-5421.02-1324-12850.97工況二居中加載跨中最大正彎矩(kN.m)節(jié)點(diǎn)最大負(fù)彎矩(kN.m)拱腿最大軸力(kN)拱片位移,應(yīng)變、裂縫2001980.99-533-5140.96-1324-12580.95

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

工況1測(cè)試結(jié)果表明，所檢控制截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.67～0.86之間，最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?6.87%；所檢控制截面撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.78～0.94之間，最大相對(duì)殘余變形為17.34%。

工況2測(cè)試結(jié)果表明，所檢控制截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.74～0.94之間，最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?8.00%，所檢控制截面撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.64～0.93之間，最大相對(duì)殘余變形為19.68%。

試驗(yàn)過程中，對(duì)已有跨中拱肋裂縫進(jìn)行觀測(cè)：初始縫寬0.15mm，工況1滿載下縫寬0.19mm，工況2滿載下縫寬0.20mm，退載后縫寬0.16mm。拱肋未發(fā)現(xiàn)新增裂縫，其余部件工作狀況未見明顯異常。

4 剛架拱橋承載力檢算

4.1 空間有限元分析模型

采用MIDAS/Civil有限元軟件建立剛架拱橋空間有限元模型。弦桿、實(shí)腹段、拱腿、斜撐和橫系梁都采用梁?jiǎn)卧M，拱腿與弦桿、實(shí)腹段采用剛性連接，斜撐與弦桿采用剛性連接，橫系梁的兩端也采用剛性連接，弦桿支座簡(jiǎn)支約束，拱腿和斜撐支座固結(jié)約束。微彎板和橋面板采用一定厚度的板單元模擬，即板單元與剛架拱片共同承受荷載作用。結(jié)合參數(shù)分析，并根據(jù)靜載試驗(yàn)撓度橫向分布實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用對(duì)橫系梁剛度適當(dāng)折減的方法對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，來考慮橫系梁開裂剛度下降對(duì)剛架橋各拱片內(nèi)力的影響。模型所采用的材料參數(shù)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，按現(xiàn)行規(guī)范取值，模型如圖3所示。

圖3 剛架拱橋有限元模型

4.2 承載能力檢算分析

(1)分項(xiàng)檢算系數(shù)的確定

基于上述荷載試驗(yàn)結(jié)果，主要控制截面撓度測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)為0.64～0.94，根據(jù)檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[8]的規(guī)定，確定檢算系數(shù)Z2為0.98。本次檢算時(shí)直接用承載能力檢算系數(shù)Z2進(jìn)行。

根據(jù)橋梁缺陷狀況、材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)結(jié)果，惡化狀況評(píng)定標(biāo)度E為1.87，線性內(nèi)插計(jì)算得到配筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件惡化系數(shù)ξe為0.02；結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面折減系數(shù)ξc為1.00，鋼筋截面折減系數(shù)ξs為0.98。

(2)承載能力檢算結(jié)果

根據(jù)檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[8]，當(dāng)缺乏施工技術(shù)資料時(shí)，混凝土收縮產(chǎn)生的內(nèi)力計(jì)算可等效為溫度額外降低引起的拱圈內(nèi)力。檢算時(shí)考慮剛架拱為節(jié)段預(yù)制安裝，收縮影響按相當(dāng)于降溫15℃進(jìn)行計(jì)算。其余荷載計(jì)算及組合按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[9]進(jìn)行，主要的基本組合如下：

組合Ⅰ=1.2恒+1.4車輛+1.12人群+1.0砼收縮(-15℃)

組合Ⅱ= 1.2恒+1.4車輛+0.98人群+1.0砼收縮(-15℃)+0.98年溫差(-17℃)

組合Ⅱ= 1.2恒+1.4車輛+0.98人群+1.0砼收縮(-15℃)+0.98年溫差(+17℃)

按上述組合對(duì)該橋進(jìn)行承載能力檢算，結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，拱腳截面承載能力不滿足公路-Ⅱ級(jí)、人群3.5kN/ m2(考慮10cm瀝青鋪裝層)的荷載使用要求。

5 加固方案

由于該剛架拱無法滿足公路-Ⅱ級(jí)、人群3.5kN/m2(考慮10cm瀝青鋪裝層)的荷載要求，針對(duì)該橋梁存在構(gòu)件承載力不足，構(gòu)件間連接弱、結(jié)構(gòu)整體性差、變形較大的問題，制定專項(xiàng)加固維修方案，主要如下：

(1)拱肋跨中兩側(cè)各10m的范圍內(nèi)，拱肋下緣粘貼10mm厚U型鋼板，加配6mm厚U型壓條。拱肋大節(jié)點(diǎn)兩側(cè)粘貼10mm厚整體大鋼板。橫系梁采用6mm厚整體鋼板加固，以增強(qiáng)橫向剛度。粘貼鋼板采用環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿濕式外包鋼法施工。

(2)將拱腿2.5m范圍內(nèi)進(jìn)行外包混凝土加大截面，拱腿頂面與側(cè)面增加15cm厚混凝土，頂面加配6根25受力鋼筋。

(3)針對(duì)拱肋弦桿開裂嚴(yán)重，采用粘貼6mm厚鋼板條方法進(jìn)行加固。

(4)針對(duì)微彎板普遍破損、開裂嚴(yán)重，加勁肋開裂嚴(yán)重的情況，更換全橋微彎板，同時(shí)加強(qiáng)橋面鋼筋，更換鋪裝層。

(5)為配合道路改造工程，鋪設(shè)10cm瀝青混凝土鋪裝層，根據(jù)鋪設(shè)瀝青面層的標(biāo)高，更換伸縮縫，采用TST無縫伸縮縫。

(6)鑿除所有剝落、疏松、腐蝕的劣化混凝土，先對(duì)外露銹蝕鋼筋除銹，然后用丙乳砂漿修補(bǔ)。

(7)對(duì)所有寬度大于0.15mm的裂縫進(jìn)行灌漿處理，灌漿膠采用優(yōu)質(zhì)A級(jí)環(huán)氧灌縫膠，其余一律在進(jìn)行裂縫的灌漿過程中一并封閉。

在上述MIDAS/Civil有限元模型中，假設(shè)加固后新舊材料協(xié)調(diào)工作良好，直接更改經(jīng)加固后的構(gòu)件的相關(guān)截面參數(shù)，其中，粘鋼加固后的混凝土構(gòu)件按抗彎慣性矩等代換算為混凝土截面的方式進(jìn)行等效。加固前后模型進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算比較，表2為加固前后撓度計(jì)算結(jié)果，表3為加固前后各關(guān)鍵截面的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明，該加固設(shè)計(jì)方案對(duì)橋梁的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)，有效地提高了橋梁整體剛度和承載能力，增加了安全儲(chǔ)備。

表2 加固前后汽車荷載作用下拱肋結(jié)構(gòu)變形

表3 最不利荷載組合下拱肋關(guān)鍵截面承載能力檢算結(jié)果

注:①Nj、Mj:指截面內(nèi)力；NR、MR:指截面抗力。②加固前后的截面抗力采用現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算得到。

6 結(jié)語

通過對(duì)一座既有鋼筋混凝土剛架拱橋承載能力檢測(cè)評(píng)定與維修加固設(shè)計(jì)案例的介紹，總結(jié)如下：

(1)既有剛架拱橋的實(shí)際承載能力，應(yīng)基于現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)、技術(shù)狀況檢查和荷載試驗(yàn)等實(shí)測(cè)結(jié)果，根據(jù)規(guī)范進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果認(rèn)為：該剛架拱橋的承載能力不滿足按照公路-Ⅱ級(jí)、人群3.5kN/m2(考慮10cm瀝青鋪裝層)荷載要求，橋梁的技術(shù)狀況等級(jí)為四類，嚴(yán)重影響橋梁承載能力，不能保證正常使用。

(2)針對(duì)該剛架拱橋的構(gòu)件承載力不足、構(gòu)件間連接弱、結(jié)構(gòu)整體性差、變形較大的問題，采取對(duì)拱肋、拱肋節(jié)點(diǎn)和橫系梁等部位粘貼鋼板，拱腿外包混凝土加大截面等的補(bǔ)強(qiáng)方案，可提供橋梁承載力并增強(qiáng)整體性；建議加固完成后進(jìn)行橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證加固補(bǔ)強(qiáng)效果。

(3)本文所述相關(guān)過程和方法可為既有剛架拱橋的承載力評(píng)定和加固設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 顧安邦，孫國柱.拱橋(下冊(cè))[M].北京：人民交通出版社，1996.

[2] 吳鑒軍，莫寧，徐永峰.剛架拱橋的病害原因與加固分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，33(z1):61-63.

[3] 李枝軍，李愛群，繆長(zhǎng)青.剛架拱橋病害與損傷識(shí)別的動(dòng)力學(xué)研究[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2008，28(4):387-389.

[4] 張開鵬，蔣玉龍，曾雪.橋梁加固的發(fā)展與展望[J].公路，2005(8):299-301.

[5] 項(xiàng)貽強(qiáng)，楊萬里，潘仁泉，等.拱索體系加固的剛架拱橋荷載橫向分布[J].中國公路學(xué)報(bào)，2007，20(4):91-95.

[6] 路飛，彭程，常見橋梁加固方式的分析比較與應(yīng)用研究[J].公路,2013(10):121-123.

[7] 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民交通出版社,2011.

[8] 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[S].北京：人民交通出版社,2011.

[9] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社.2004.

Bearing Capacity Evaluation and Reinforcement for the Existing Reinforced Concrete Rigid Arch Bridge

LAICanglin

(Fujian Academy of Building Research, Fujian Key Laboratory of Green Building Technology,Fuzhou 350025)

A reinforced concrete rigid arch bridge is selected as the sample of the required engineering background.Based on the bridge routine detection , static testing and load capacity evaluation, the condition of required engineering bridge was evaluated.It can be concluded that the main components have large defects, the load capacity of bridge is severely weakened which can not be normally used.The technical grade of the bridge is 4 grade.It has been found that the connections among the components were weak resulting in relatively poor structural integrity, inadequate longitudinal rigidity and large deformations.Due to these drawbacks, all the arch ribs and springing together with the straining beams were reinforced by means of bonding steel plates after sealing the detected cracks.The integrity and bearing capacity of the arch bridge can be highly improved in order to meet the requirement of the new design loads.

Rigid-framed Arch Bridge; Bridge Strengthening; Static Testing; Bearing Capacity evaluation

賴蒼林(1980.1- )，男，高級(jí)工程師。

E-mail:34874311@qq.com

2017-04-10

U448.22

A

1004-6135(2017)08-0081-04