黃河 梅繼洲

基于剛架拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳力機(jī)理，在分析剛架拱橋典型病害的基礎(chǔ)上總結(jié)了常用的加固技術(shù)，并針對(duì)某在役剛架拱橋既有病害問(wèn)題，提出針對(duì)性的加固補(bǔ)強(qiáng)診治方案并建立加固效果評(píng)價(jià)機(jī)制。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該加固方案具有較強(qiáng)的實(shí)操性及可靠性，以期為相似在役橋梁的病害補(bǔ)強(qiáng)維修加固提供技術(shù)支持。

剛架拱橋是結(jié)合雙曲拱、桁架拱、斜腿剛構(gòu)等橋型演變而來(lái)的高次超靜定結(jié)構(gòu)，由于其具有橋態(tài)優(yōu)美、施工周期短、經(jīng)濟(jì)性佳等優(yōu)點(diǎn)而在我國(guó)20世紀(jì)80～90年代受到廣大設(shè)計(jì)者的青睞。然而，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)理念過(guò)于追求經(jīng)濟(jì)效益，構(gòu)件尺寸普遍偏小，再受到當(dāng)時(shí)施工條件及工藝的限制，造成剛架拱橋結(jié)構(gòu)本身提載空間較小。長(zhǎng)時(shí)間在環(huán)境與超載的耦合作用下，部分在役剛架拱橋已存在不同程度影響到正常使用狀態(tài)的結(jié)構(gòu)損傷，急需加固補(bǔ)強(qiáng)。

本文筆者結(jié)合多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)給出了在役剛架拱橋的常用加固技術(shù)，并通過(guò)某在役剛架拱橋?yàn)槔U釋其典型病害問(wèn)題并據(jù)此提出針對(duì)性的加固維修方案，旨在為今后同類型橋梁的維修加固設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

一、剛架拱常用加固技術(shù)

1.拱肋補(bǔ)強(qiáng)

受困于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)理念和過(guò)度追求經(jīng)濟(jì)性的考慮，拱肋構(gòu)造尺寸偏小，其作為剛架拱的主要承力構(gòu)件，在日益增長(zhǎng)的車輛荷載作用下極易發(fā)生徑向開(kāi)裂，進(jìn)而導(dǎo)致剛架拱承載力富裕度小的劣勢(shì)。

拱肋補(bǔ)強(qiáng)的措施主要是通過(guò)增大拱肋截面尺寸或者粘貼鋼板以提高拱肋承載力。前者主要是配合植筋技術(shù)在拱肋底面和側(cè)面外包混凝土，后者則需要依靠有效的錨固措施確保既有混凝土和粘貼鋼板同時(shí)協(xié)同變形，共同承擔(dān)上部荷載。

2.橫向聯(lián)系加固

剛架拱的橫向聯(lián)系主要分為基于弦桿、實(shí)腹段的橫系梁和拱腿、斜撐的橫系梁兩類。前者由于橋梁長(zhǎng)期服役導(dǎo)致整體剛度損耗易造成中間工作區(qū)發(fā)生自上而下的開(kāi)裂，其中實(shí)腹段的橫系梁病害情況尤為嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)斷裂等影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的問(wèn)題。后者由于損耗基本上都出現(xiàn)在橫系梁及拱腿的銜接位置，出現(xiàn)的混凝土裂縫不多，但當(dāng)剛架拱整體剛度受損時(shí)，依然會(huì)出現(xiàn)連接失效甚至斷裂的情況。

橫向聯(lián)系加固主要基于“剛性橫梁法原理”采用鋼結(jié)構(gòu)、混凝土加固方式來(lái)解決。鋼結(jié)構(gòu)加固主要是從提高橫隔板剛度的角度出發(fā)基于既有結(jié)構(gòu)性完整的的橫系梁采用焊接鋼結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，混凝土加固則是在原來(lái)橫系梁的基礎(chǔ)上利用成熟的植筋技術(shù)增加橫梁的結(jié)構(gòu)厚度和高度從而加強(qiáng)橋梁整體結(jié)構(gòu)的橫向聯(lián)系。

3.橋面板改造

受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，剛架拱普遍采用小尺寸構(gòu)件、低配筋率，如肋腋板少筋亦或是微彎板尺寸不足。長(zhǎng)期荷載作用下，部分肋腋板底會(huì)出現(xiàn)各向異性裂縫，微彎板底部混凝土剝落、開(kāi)裂，造成鋼筋外露且伴有銹蝕以及漏水等影響橋梁耐久性的病害。

對(duì)于上述病害，一般采用碳纖維板（布）來(lái)處理肋腋板的底部裂縫，利用垂直裂縫方向并按U形布置的單層碳纖維材料對(duì)微彎板開(kāi)裂區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)，其余短且稀疏的橋面板裂縫則可根據(jù)檢測(cè)結(jié)果合理采用灌縫或者封閉裂縫措施。此外，翻閱老橋設(shè)計(jì)、施工資料，針對(duì)性地對(duì)部分區(qū)域現(xiàn)澆層采取加鋪及增強(qiáng)內(nèi)部配筋措施以提高橋面板的承載能力。

4.橋面鋪裝層維修

剛架拱的凝土鋪裝層屬于組合斷面，直接承受車輛荷載，若橋面現(xiàn)澆層中節(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)處拉應(yīng)力較大，橋面易產(chǎn)生橫向裂縫。在橫向聯(lián)系不足的耦合效應(yīng)下，拱片處出現(xiàn)縱向結(jié)構(gòu)裂縫的概率加大，鋪裝層甚至還會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)裂、坑槽等問(wèn)題，降低橋梁結(jié)構(gòu)承載力，危及運(yùn)營(yíng)安全。

橋面鋪裝拆除后應(yīng)參照既有最新規(guī)范要求來(lái)施工，確保鋪裝層厚度及配筋率，強(qiáng)化負(fù)彎矩區(qū)的縱向受力鋼筋，滿足現(xiàn)有道路等級(jí)的運(yùn)營(yíng)承載能力。

二、工程概況

某在役40m 鋼筋混凝土剛架拱橋?qū)?.5m（斷面布置：0.75m+7.0m+0.75m），采用4片主拱肋，矢跨比為 1/8，下部結(jié)構(gòu)為片石混凝土 U 型橋臺(tái)，無(wú)通航要求。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車-20 級(jí)、掛車-100。橋梁實(shí)圖如圖1所示。

圖1 橋梁實(shí)圖

三、典型病害及其因素分析

1.典型病害

拱肋實(shí)腹段、大節(jié)點(diǎn)施工接縫處存在局部開(kāi)裂問(wèn)題，部分拱肋四分之三位置處開(kāi)裂，斜撐存在長(zhǎng)短不一的橫向、豎向裂縫，部分主拱片、微彎板及橫系梁混凝土剝落、露筋且伴有銹蝕。橋面鋪裝上角落處有泥沙堆積，混凝土護(hù)欄存在不同程度的破損或者缺失。靜動(dòng)載試驗(yàn)表明，橋梁實(shí)測(cè)應(yīng)變和撓度值均相較于理論計(jì)算值偏大，橋梁整體剛度比設(shè)計(jì)工況偏小。根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，該橋荷載等級(jí)滿足原85規(guī)范設(shè)計(jì)要求，綜合技術(shù)狀況評(píng)定為3類橋。

2.原因分析

（1）設(shè)計(jì)因素

建立宣傳動(dòng)員機(jī)制，明確宣傳內(nèi)容、宣傳方式、宣傳責(zé)任等具體內(nèi)容，做到第一時(shí)間宣傳防災(zāi)避災(zāi)預(yù)警信息和知識(shí)，第一時(shí)間對(duì)內(nèi)、對(duì)外宣傳報(bào)道，第一時(shí)間收集現(xiàn)場(chǎng)汛情、災(zāi)情和抗災(zāi)救災(zāi)工作圖片資料。各單位對(duì)外宣傳和縣防指保持互通。

由于過(guò)去設(shè)計(jì)理念的差異性，剛架拱橋普遍存在小尺寸構(gòu)件多、配筋率低的問(wèn)題，橋梁結(jié)構(gòu)承載力富裕較小，在外荷載和環(huán)境的作用下，結(jié)構(gòu)安全存在較大隱患。由于大節(jié)點(diǎn)處構(gòu)件依靠鋼板連接，混凝土為后澆筑，因而位于大節(jié)點(diǎn)附近的拱肋屬于剛架拱的薄弱區(qū)域，在新老混凝土收縮徐變不協(xié)調(diào)及整體剛度分布不均的多重因素下，導(dǎo)致該處變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生裂縫。

（2）施工因素

該剛架拱橋接縫處混凝土為后澆筑，由于時(shí)間差異導(dǎo)致現(xiàn)澆混凝土與預(yù)制部分的混凝土收縮變形不一致，該部位成為受力薄弱點(diǎn)，橋梁結(jié)構(gòu)整體受力不均勻。長(zhǎng)期的車輛反復(fù)荷載作用造成了新老混凝土結(jié)合面之間較大的附加應(yīng)力，進(jìn)而使得該節(jié)點(diǎn)接縫處產(chǎn)生裂縫。

從結(jié)構(gòu)受力角度出發(fā)，考慮到斜撐為小偏心受壓構(gòu)件，以受壓為主，因而判斷其裂縫為收縮性裂縫。

（3）管養(yǎng)因素

原結(jié)構(gòu)采用的技術(shù)規(guī)范現(xiàn)今已被替換，長(zhǎng)期受到現(xiàn)有迅猛交通量的作用，根據(jù)實(shí)際調(diào)查，該橋經(jīng)常存在重車通過(guò)等嚴(yán)重的超載現(xiàn)象，雨水通過(guò)破損嚴(yán)重的路面加快了橋梁構(gòu)件受損腐蝕速度。

（4）其他因素

從現(xiàn)場(chǎng)情況看，該橋橋位兩側(cè)道路均為下坡，雨水及過(guò)往車輛將土體帶至橋面并在橋面角落堆積，降低了橋面排水的順暢性，容易造成橋面局部積水，長(zhǎng)時(shí)間的車輛荷載作用加劇了瀝青混凝土的剝落。

四、加固方案

1.總體加固原則

2.加固措施

維修加固措施以提升剛架拱橋梁承載能力為主，并兼顧其他附屬性病害。在保證拱肋、橫梁等關(guān)鍵構(gòu)件承載力的承載能力提高的同時(shí)，加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的橫向剛度?；谝陨峡紤]，提出以下維修加固方案：

（1）大節(jié)點(diǎn)、斜撐、拱腳、拱頂處粘貼鋼板加固。

（2）對(duì)于剛架拱片、橫系梁裂縫，小于0.15mm的裂縫，采用封閉裂縫的方式處理，寬度大于0.15mm的裂縫采用灌漿方式處理。

（3）針對(duì)微彎板、橫系梁等輕微破損處采用環(huán)氧聚合物砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。

（4）清理橋面泥沙，增設(shè)排水管，橋面加鋪瀝青混凝土。

（5）修復(fù)護(hù)欄破損、露筋部位，涂刷紅白相間漆。

（6）其他構(gòu)件的維修養(yǎng)護(hù)。

五、加固效果評(píng)價(jià)

橋梁加固后的評(píng)價(jià)機(jī)制是判斷既定加固策略是否合理的關(guān)鍵，評(píng)價(jià)體系主要包含：加固目標(biāo)及具體執(zhí)行過(guò)程、效果影響、經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)性等評(píng)價(jià)。其中加固后承載能力為關(guān)鍵指標(biāo)，主要從加固后承載力富余度角度針對(duì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行評(píng)價(jià)，荷載效應(yīng)安全程度及承載能力加固效率可別按公式1、2考慮。

式中：R—表示抗力大??；

S—表示荷載效應(yīng)。

式中：R0—表示加固前的結(jié)構(gòu)承載力；

RN—表示加固后的結(jié)構(gòu)承載力。

ER表示結(jié)構(gòu)承載能力負(fù)荷率，在對(duì)橋梁進(jìn)行加固時(shí)，若ER＞1，則表明加固效果良且結(jié)構(gòu)承載力有所提升，可開(kāi)展相關(guān)加固措施。

考慮到剛架拱結(jié)構(gòu)主要力構(gòu)件為弦桿跨中區(qū)域及拱腿，本文采用MIDAS建立有限元模型并提取結(jié)構(gòu)加固前后拱肋承載力來(lái)評(píng)價(jià)加固處治方案效果。

表1 承載能力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1并結(jié)合公式（2）可知加固后ER＞1，表明粘貼鋼板后的承載能力有所提升。因此，拱肋粘貼鋼板方案可行。

六、結(jié)語(yǔ)

（1）剛架拱橋有其獨(dú)特的時(shí)代鮮明特征，但由于其結(jié)構(gòu)的缺陷性導(dǎo)致病害較多。本文從剛架拱構(gòu)件的一般病害問(wèn)題出發(fā)，著重從設(shè)計(jì)、施工及管養(yǎng)等方面闡釋了其典型病害的產(chǎn)生機(jī)理，并提出針對(duì)性的加固技術(shù)措施。

（2）結(jié)合某剛架拱橋病害給出了一般加固措施，并建立了加固效果的評(píng)價(jià)機(jī)制。驗(yàn)證了采用粘貼鋼板對(duì)拱肋進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)方案的可行性，該方案可推廣到其他類似橋梁病害的維修加固設(shè)計(jì)中。

（3）本文提出的剛架拱加固技術(shù)可供同類型在役剛架拱橋的維修改造參考。