陳國佳

（東臺市市政養(yǎng)護(hù)管理所，江蘇 東臺 224215）

0 引言

鋼筋混凝土桁架拱橋是繼雙曲拱橋之后發(fā)展起來的一種拱橋結(jié)構(gòu)型式，兼具桁架橋自重輕和拱橋跨越能力強(qiáng)的特點(diǎn)，且施工簡便、造價(jià)低廉，用于地基較差的橋位處。自20世紀(jì)60年代以來，曾一度在全國范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。但隨著使用年限增加，在復(fù)雜荷載作用及環(huán)境因素的綜合影響下，材料性能逐漸退化，出現(xiàn)了不同程度的病害，對其承載能力和安全運(yùn)營構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。因此準(zhǔn)確、客觀地評定在役桁架拱橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，確定其實(shí)際承載能力并有針對性地進(jìn)行維修加固，對改善橋梁的使用狀況就顯得尤為重要。本文以某桁架拱橋的結(jié)構(gòu)狀況檢測和維修加固工程為背景，闡述了橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評定的主要內(nèi)容與過程，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際病害情況與承載力評定結(jié)果，明確了維修加固的目標(biāo)和加固過程中的結(jié)構(gòu)受力要求，提出了針對性的加固方案。

1 工程概況

某桁架拱橋建造于1987年，與河道正交，是一座東西向布置的橋梁，孔跨布置為（15.3+17.3+15.3）m，橋面總寬5.0 m，橋面鋪裝為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)荷載等級為汽-10級，橋梁所處環(huán)境為Ⅱ類環(huán)境，如圖1所示。

圖1 某桁架拱橋立面圖

該橋建成通車至今已運(yùn)營40多年，隨著橋梁服役時間的增長，各個構(gòu)件出現(xiàn)了不同程度的材料退化和結(jié)構(gòu)病害。為全面掌握該橋的缺陷部位和發(fā)展趨勢、損傷的性質(zhì)，確定結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況等級，為后期維修管養(yǎng)提供依據(jù)，需要對該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)評定。

2 橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估

2.1 橋梁外觀檢查

為了解橋梁的技術(shù)狀況，對該橋橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀檢查。檢查表明：該橋橋面混凝土鋪裝存在大面積的破損，局部有非貫通橫向裂縫；東、西側(cè)橋頭均出現(xiàn)輕微沉降，橋頭伸縮縫接縫處鋪裝均出現(xiàn)破損。泄水孔部分堵塞、缺損。北側(cè)部分護(hù)欄存在混凝土剝落、露筋的現(xiàn)象。上部結(jié)構(gòu)病害較為嚴(yán)重，全橋各跨桁架拱片及橫向支撐桿普遍存在銹脹露筋、混凝土剝落等病害，微彎板出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。對于下部結(jié)構(gòu)，0#橋臺臺身側(cè)墻結(jié)構(gòu)局部剝落。1#、2#橋墩拱座被船撞擊，拱座混凝土局部剝落。剝離的總面積超過整個拱座表面積的3%，如圖2、圖3所示。

圖2 拱片銹脹破損嚴(yán)重

由外觀檢查結(jié)果可知，由于年久失修，該桁架拱橋各個構(gòu)件均存在不同程度的病害，特別是上部結(jié)構(gòu)桁架拱片銹脹損壞嚴(yán)重，對橋梁的承載能力和安全運(yùn)營造成了很大的隱患。綜上，該橋的技術(shù)狀況評定等級為D級，為“不合格狀態(tài)”。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)檢測

2.2.1 混凝土強(qiáng)度檢測

采用回彈儀對該橋主要構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測，選取12個主體構(gòu)件，共200個測點(diǎn)進(jìn)行檢測。根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，該次抽檢的構(gòu)件混凝土強(qiáng)度推定值在21.3～26.5 MPa，部分構(gòu)件混凝土存在材質(zhì)強(qiáng)度較低的情況。

2.2.2 鋼筋銹蝕性狀檢測

采用鋼筋銹蝕儀檢測該橋構(gòu)件中鋼筋銹蝕性狀。對全橋選取了兩片拱肋構(gòu)件，共計(jì)187個測點(diǎn)進(jìn)行鋼筋銹蝕點(diǎn)位檢測。根據(jù)檢測情況，拱肋構(gòu)件有銹蝕活動性，個別測點(diǎn)的電位水平高于-300 mV，銹蝕可能性為90%，已明顯開始退化。

2.2.3 鋼筋保護(hù)層厚度檢測

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）規(guī)定，該橋所處環(huán)境屬于Ⅱ類環(huán)境，主筋保護(hù)層厚度均不得低于40 mm，箍筋保護(hù)層厚度不得低于25 mm。選取13個構(gòu)件，共計(jì)200個測點(diǎn)，采用鋼筋檢測儀對鋼筋混凝土保護(hù)層厚度進(jìn)行測量，在抽檢的13個構(gòu)件中，主筋的保護(hù)層厚度平均值為27.9～34.1 mm，部分構(gòu)件混凝土保護(hù)層厚度對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有影響。

2.2.4 混凝土碳化深度檢測

通過地方領(lǐng)導(dǎo)留言平臺，有效解決群眾“投訴無門”的現(xiàn)象，減少了網(wǎng)絡(luò)輿情發(fā)生量，取得了良好的成效。政府部門需宣傳自身平臺，打造自身平臺影響力，加強(qiáng)政務(wù)“一張網(wǎng)”的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“一個手機(jī)辦理所有業(yè)務(wù)”的服務(wù)，從群眾最關(guān)心的事情上解決問題，從而減少網(wǎng)絡(luò)輿論的滋生。

選取9個主要受力構(gòu)件，共20個測區(qū)，采用在混凝土新鮮斷面觀察酸堿指示劑反映厚度的方法測定混凝土碳化狀況。檢測結(jié)果表明，各構(gòu)件的實(shí)測碳化深度均小于保護(hù)層厚度最小值，表明構(gòu)件的鋼筋目前不會由于混凝土的碳化而發(fā)生全面銹蝕。

2.2.5 混凝土裂縫檢測

通過目視檢查并結(jié)合裂縫寬度檢測儀對主拱肋裂縫的分度、長度、寬度等進(jìn)行檢測，并對裂縫的分布和開展情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以第二跨橫向第二片拱片為例，由圖4可知，拱肋裂縫主要分布在拱肋上弦桿的位置。

圖4 第二跨橫向第二片拱片主要裂縫分布情況

2.3 橋梁承載能力驗(yàn)算

為了分析結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，并為荷載試驗(yàn)提供理論依據(jù)，采用MIDAS/Civil建立空間桿系模型對該橋進(jìn)行計(jì)算，并選取三個典型控制斷面對該橋進(jìn)行承載能力驗(yàn)算，各項(xiàng)驗(yàn)算系數(shù)根據(jù)各結(jié)構(gòu)構(gòu)件物理力學(xué)參數(shù)的檢測結(jié)果進(jìn)行取值，荷載按照原設(shè)計(jì)荷載等級汽-10級進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 某桁架拱橋計(jì)算模型及驗(yàn)算斷面示意圖

經(jīng)計(jì)算，在承載能力極限狀態(tài)下，主體結(jié)構(gòu)能滿足原設(shè)計(jì)汽-10級荷載等級的安全承載要求，但部分破損嚴(yán)重的斷面，如第二跨橫向第三拱片跨中位置斷面，其抗彎不能滿足承載能力要求，見表1。

表1 各控制斷面抗彎強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

2.4 荷載試驗(yàn)

荷載試驗(yàn)主要包括靜載試驗(yàn)和動載試驗(yàn)兩部分。

靜載試驗(yàn)是通過結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的理論計(jì)算與實(shí)測結(jié)果的對比分析，對橋梁工作狀態(tài)和承載能力進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)汽-10級荷載作用下各控制截面的撓度和彎矩，選取中拱跨中截面和中拱拱梁結(jié)合處截面為該次靜載試驗(yàn)的控制截面，如圖6所示。

圖6 靜載試驗(yàn)工況測試斷面選取示意圖

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）規(guī)定，結(jié)合該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取跨中拱肋最大正彎矩工況和拱腿頂主梁最大負(fù)彎矩工況為該次靜載試驗(yàn)的兩個試驗(yàn)工況?？紤]實(shí)際加載車輛特性，經(jīng)計(jì)算，工況Ⅰ、Ⅱ分別選用一輛100 kN和一輛150 kN的兩軸重車進(jìn)行加載，各工況分兩級進(jìn)行加載。工況Ⅰ和工況Ⅱ的車輛加載布置如圖7所示。

實(shí)際加載時，當(dāng)加載至工況Ⅰ第二級時，撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均出現(xiàn)了超過1的現(xiàn)象，卸載后的殘余應(yīng)變也較大。表2為各加載工況下拱肋應(yīng)變和校驗(yàn)系數(shù)。實(shí)測數(shù)據(jù)對比表明：主拱跨中撓度校驗(yàn)系數(shù)在1.06～1.50，跨中拱肋撓度校驗(yàn)系數(shù)大多在1.07～1.72；應(yīng)變測點(diǎn)殘余應(yīng)變系數(shù)超過20%，說明該橋不能處于完全彈性工作階段。依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》規(guī)定，該橋承載能力不能滿足原設(shè)計(jì)汽-10級荷載的使用要求。

圖7 靜載試驗(yàn)加載工況Ⅰ、Ⅱ分級加載示意圖（單位：cm）

表2 跨中拱肋應(yīng)變及校驗(yàn)系數(shù)

動載試驗(yàn)的內(nèi)容主要為測量移動車輛作用下主橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力的動態(tài)響應(yīng)和沖擊系數(shù)。試驗(yàn)采用一輛10 t重車以10 km/h的速度駛過橋面，通過預(yù)設(shè)在下弦桿跨中位置處的動應(yīng)變計(jì)記錄該橋的動應(yīng)變時程信號。通過動應(yīng)變時程曲線分析，得到主拱肋跨中截面應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變沖擊系數(shù)為0.18，如圖8所示。

圖8 動載試驗(yàn)動應(yīng)變時程曲線

3 橋梁加固維修方案設(shè)計(jì)

通過結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估可知，該桁架拱橋主拱肋混凝土缺損嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)的縱、橫向剛度均存在一定程度上退化，不能滿足原設(shè)計(jì)荷載承載力要求。為保證橋梁的安全運(yùn)營，改善使用狀況，提高橋梁的承載力和通行能力，最大程度地延長其使用壽命，需要對該橋進(jìn)行維修加固。

3.1 總體維修加固方案

該次加固工程選取U形鋼板作為主要加固材料進(jìn)行下弦主拱圈抗壓、抗彎加固，經(jīng)濟(jì)性相對較好，且施工工藝簡單；對同時承擔(dān)較大軸力和剪力的拱腳直腹桿采用增大截面法進(jìn)行加固；對橫向支撐桿采用外加角鋼支撐，以提高橋梁結(jié)構(gòu)整體性，如圖9所示。

圖9 桁架拱橋總體加固示意圖

對存在混凝土破損剝落、露筋銹蝕等病害的構(gòu)件，加固前應(yīng)先將構(gòu)件表面打磨平整，除去梁體表面浮塵、松散混凝土等，鑿除破損位置表層劣質(zhì)混凝土，采用樹脂型修補(bǔ)砂漿和改性細(xì)石混凝土對破損處進(jìn)行修補(bǔ)，采用塞柏斯（XYPEX）材料對裂縫進(jìn)行封閉修補(bǔ)，并對外露銹蝕鋼筋進(jìn)行除銹處理。

3.2 下弦桿及實(shí)腹段加固

桁架拱橋下弦桿主要受壓，同時承受較大的彎矩，對其下緣及側(cè)面粘貼8 mm厚的U形鋼板，能夠較好地控制下弦桿混凝土應(yīng)力，同時提高其承載能力。施工時，應(yīng)將混凝土表面清理干凈，對轉(zhuǎn)角粘貼處進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀，再粘貼鋼板。U形鋼板粘貼完成后，在其兩側(cè)安裝M12螺栓和鋼壓條，對鋼板進(jìn)行錨固，如圖10所示。

圖10 下弦桿及跨中實(shí)腹段加固

3.3 拱腳直腹桿加固

拱腳直腹桿采用對其側(cè)面外包15 cm厚鋼筋混凝土增大截面的方法進(jìn)行加固，可同時有效提高其承載力和剛度，對橋梁整體剛度提高十分有利。

施工前先清除拱片表面涂裝，鑿除表面風(fēng)化混凝土；隨后對拱背混凝土進(jìn)行鑿毛，表面凹凸不小于6 mm，露出粗骨料，對銹蝕鋼筋尚需進(jìn)行除銹，隨后按要求鉆孔植筋，綁扎鋼筋網(wǎng)，支?，F(xiàn)澆外包混凝土，如圖11所示。在施工中，應(yīng)采取添加微膨脹劑等措施，降低混凝土的收縮，保證混凝土密實(shí)。

圖11 拱腳直腹桿加固

3.4 橫向支撐桿加固

橫向支撐桿采用外加角鋼加固支撐的方式進(jìn)行維修，能夠有效增強(qiáng)各拱片間的橫向聯(lián)系，提高橋梁的整體橫向剛度，從而避免單個拱片承受較大荷載，如圖12所示。

圖12 拱肋橫向支撐桿加固立面示意圖

3.5 橋面系

全橋橋面鋪裝鑿毛20 mm，鋪設(shè)改性環(huán)氧樹脂薄層，厚為20 mm；墩臺斷縫處鑿開增設(shè)彈性體伸縮縫；疏通橋面泄水孔，并增設(shè)直徑75 mm、長度500 mm的UPVC管，以增強(qiáng)排水能力；橋臺臺背鑿除重筑，并增設(shè)彈性體伸縮縫；橋面護(hù)欄破損處采用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)并涂刷涂料，橋頭側(cè)墻增設(shè)簡易人行護(hù)欄。

4 結(jié)語

通過對該桁架拱橋進(jìn)行的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估和維修加固方案設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論：

（1）考慮到現(xiàn)役桁架拱橋普遍存在建造時間早，使用年限長，且在設(shè)計(jì)、施工等方面都有所欠缺的特點(diǎn)，對該類橋梁的結(jié)構(gòu)總體狀態(tài)進(jìn)行評估時，應(yīng)采用包括荷載試驗(yàn)在內(nèi)的多種手段，充分了解橋梁的基本狀況、病害情況及工作性能，并建立橋梁資料卡片，為實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的科學(xué)管理、養(yǎng)護(hù)、維修及運(yùn)營決策，確保運(yùn)營安全提供依據(jù)。

（2）對桁架拱橋進(jìn)行加固和改造處理，應(yīng)充分考慮各構(gòu)件的受力特點(diǎn)，基于病害的發(fā)展?fàn)顩r，采用相應(yīng)的材料和有針對性的加固方法，從而在保證運(yùn)營安全、提高承載能力、延長使用壽命的前提下，兼?zhèn)漭^好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。