刚架拱桥病害检测及加固设计

平顶山市交通局质监站 张克右

刚架拱桥病害检测及加固设计

平顶山市交通局质监站 张克右

刚架拱桥是目前存在的较为普遍的一种桥型，由于现在车辆密度较大且超载车辆严重，使得许多桥梁出现不同程度的病害，影响到通车安全。本文通过实例对一刚架拱桥病害的试验检测，并根据试验检测结果提出不同的加固设计方案，通过分析比较选取合理方案。

一、工程概况

某刚架拱桥设计跨径45米，失跨比1/8，桥宽17米，下部采用桩基础，上部采用部分预制、部分现浇拼装，桥型采用刚架拱桥，横向设置6片拱片。除桥面、填平层及接头为现浇混凝土外，其余均为混凝土预制构件；实腹段与拱腿采用钢筋焊接现浇混凝土接头。设计荷载：汽—超20级，挂车—120，该桥在运营中外观出现：各拱片均存在裂缝，局部隔板出现断裂，支座失效，桥面系破损较重，需加固处理。

二、试验检测

为了解桥跨结构的实际工作状态，判断实际承载能力及其在设计使用荷载下的工作性能，为加固设计提供依据，先对该桥进行试验检测，下面简要说明试验检测（静载试验和动载试验）。

1.静载试验。

（1）试验内容。

①主梁控制截面在试验荷载（中载）下的挠度与应变。

②主梁控制截面在试验荷载（偏载）下的挠度与应变。

③桥跨结构构件的裂缝情况。

④试验荷载影响的其他技术指标。

（2）静载试验荷载确定原则。为了保证荷载试验的效果，采用设计依据的荷载分别计算桥跨结构各控制截面的最不利效应，用产生最不利内力较大的荷载作为静载试验的控制荷载。静载试验荷载确定原则：

对各测试截面，按照内力等效的原则，按内力影响线布置试验荷载，使得试验荷载效率不小于0.8且不大于1.05，即：

0.8≤η=β1/[（1+α）*β]≤1.05

式中：η为静力试验荷载效率；

β1为静载试验荷载作用下，某工况控制最大计算效应值；

β为设计荷载作用下控制截面最不利内力计算值（不计冲击系数）；

（1+α）为设计计算取用的冲击系数。

试验采用双后轴重车进行加载，试验时，根据结构个控制截面的影响线，实际使用加载车辆的技术指标，调整车辆位置来确定各载位，使各控制截面试验荷载的效率系数满足0.8≤η≤1.05。

（3）测试截面的确定。对该桥建模进行结构静动力分析，得出桥梁在设计荷载下的内力，根据内力图确定各控制截面测试项目（见表1）。

表1 各控制截面测试项目

（4）静载试验结果。在静载试验下，该桥主要受力截面上，个别工况下出现应力校正系数大于1（最大应力校正系数为1.09，超出了《大跨径混凝土桥梁的试验方法》中的要求），其余测点的应力实测值小于理论计算值，即校正系数小于1。

在静载试验工况下，个别工况下出现挠度校正系数大于1（最大为1.08），其余测点的挠度实测值小于理论计算值，即校正系数小于1；残余值与实测值之比小于0.2。

静载试验数据反映该桥大部分工况下应力和挠度校正系数均小于1，但个别工况出现应力及挠度校正系数超出规定值，表明桥梁承载力和结构刚度出现下降，不能满足原设计荷载汽车—超20级中重车55t的要求，荷载等级应降低至原桥梁规范中规定的汽车—20级，即重车不大于30t。

2.动载试验。

（1）试验内容。

①桥跨结构在动力荷载作用下的反应，主要包括动位移、动应力、动力系数等。

②测定桥梁的振动特性，包括振型和阻尼特性等。

（2）测试项目。

跑车试验：在桥面无任何障碍的情况下，单车以10、20、30、40、50km/h的速度跑过桥梁，测试桥梁的动应变、位移响应和衰减特征。

制动试验：单车以20、30、40、50km/h的速度匀速行驶，在跨中制动，测试桥梁的位移响应和衰减特征。

跳车试验：主要测试个测点动力反应，包括振幅、动应力和强迫振动频率。工况如下：单车以10km/h的速度匀速行驶，在跨中跳三角木后刹车，测试桥梁的动应变、位移响应和衰减特征。

通过桥梁结构脉动测试和频谱分析，确定桥梁结构振动频率、振型及其它震动参数；通过不同车速的重车跑车（无障碍行车试验），观测桥梁的振动特性（最大振幅、时程曲线）；在桥跨跨中，顺桥制动，测定桥梁结构位移响应及其衰减特征；顺桥向制动试验采用动态信号采集测试系统、传感器进行；跨中跳车试验（有障碍行车试验），测量桥梁位移响应、衰减特性；有障碍行车试验采用动态信号采集测试系统、传感器进行。

（3）动载试验结果。该桥竖向及顺桥向实测频率大于理论频率，而横向频率小于理论值，桥梁横向刚度下降，且结构存在损伤，跳车时激起结构的振动量远远大于跑车和刹车时激起主梁的震动量。

综合动、静载试验评定：该桥技术状况综合评定为3类桥，但并不排除个别构件技术状况差或危险的状态。

三、加固设计方案一实施步骤及技术特点

根据桥梁荷载试验及建模计算，该桥主孔的薄弱位置出现在拱脚上缘、拱顶下缘、大节点和小节点的上缘等地方，而副孔的薄弱位置在跨中下缘。为提高桥梁承载力和刚度，恢复原桥梁设计荷载要求，依据各部位受力方式的不同，拟定以下两个加固方案。

方案一：拆除桥面现浇层，采用增大构件截面尺寸加固法进行加固，即对拱腿、弦杆及实腹段增大截面或黏贴钢板，整体现浇桥面层。

1.方案具体实施步骤如下。

（1）将拱腿的断面保护层凿开，现有裂缝用环氧树脂填死闭合，用环氧树脂粘贴钢板，并使钢板与原钢筋焊接。加箍新的箍筋，并焊接在钢板上，绑上主筋形成钢筋骨架，然后外包浇注新的C40膨胀混凝土（见图1）。

（2）进行全桥上下部各构件仔细检查（桥面肋板和桥面铺装层可不检查），先对存在破损、漏筋部位进行处理。

（3）裂缝检查及处理。对上下部构件中存在裂缝的部位进行封闭处理。

（4）全桥及单跨对称均衡拆除原桥面防撞护栏和铺装层混凝土，拆除桥面系混凝土时，应采用人工凿除法，不能使用重型机械凿除。凿除应对称（对称于本孔跨中）进行。

（5）拆除原桥面肋板，吊装走肋板务必做到对称、均衡进行。

（6）人工拆除原拱片顶面的凸块（图2），露出原凸块内的箍筋，不要弄断露出的箍筋，拆除桥面系后，对原未发现的拱片裂缝等缺损部位进行封闭处理。

图1 拱腿断面加固

图2 拆除凸块

（7）在主孔段，分别凿开每片上弦杆及实腹段的侧面和下缘保护层，露出主筋和箍筋，将箍筋接长，焊上新的箍筋，焊接长度不小于10d，绑上主筋形成钢筋骨架，然后浇筑C40膨胀混凝土（图3）。

（8）弦杆受力不大，采用环氧树脂粘贴钢板加固（图4）。

（9）安装桥面板下模板和安放好钢筋（原拱片顶面伸入到桥面现浇板内的钢筋务必与新安放的钢筋绑扎好，并进行除锈，保证原箍筋露出的部分全部伸入到桥面现浇层内），对院桥拱片上的横隔板顶面凿毛，清洗好拱片和横隔板与桥面现浇层的接触面；浇注桥面现浇C40膨胀混凝土。

图3

图4

2.加固方案设计拱片加固图（见图5）。

图5 加固方案设计拱片加固

3.方案技术特点。

（1）主拱腿拱脚段上缘顶面新增钢筋混凝土现浇板，可以显著增强拱腿承载力。

（2）采用加大截面加固，分析概念明确，承载力提高较显著，同时有效增加结构整体刚度。

四、加固设计方案二实施步骤及技术特点

方案二：拆除桥面现浇层，拱顶下缘及弦杆跨中下部粘贴CFRP碳纤维布，整体现浇桥面板和主拱腿横向连接板。

1.方案具体实施步骤如下。

（1）主拱腿拱脚段上缘顶面新增钢筋混凝土现浇板施工。

A.安装拱腿全部模板。

B.植筋。

C.安装好所有钢筋，钢筋网的节点要求部分点焊，部分绑扎成梅花形。

D.浇注本段混凝土。

E.得以上混凝土强度达到设计强度的90%以后，全桥及单跨对称均衡拆除拱腿模板。

F.拆除模板后留下露出构件表面的锚栓要进行除锈处理。

（2）同方案一（2）。

（3）同方案一（3）。

（4）同方案一（4）。

（5）同方案一（5）。

（6）同方案一（6）。

（7）对需要粘贴CFRP碳纤维布的拱腿及弦杆底面进行处理；基面清洗→刷涂底胶→粘贴面的修补→粘贴碳纤维布CFRP→罩面防护处理。

（8）同方案一（7）。

2.方案技术特点。

（1）主拱腿拱脚段上缘顶面新增钢筋混凝土现浇板，不仅可以显著增强拱腿承载力，而且增强横桥向各拱片的联系，明显提高桥梁横向刚度。

（2）粘贴CFRP碳纤维布，能够在补强承载能力的同时，有效封闭混凝土裂缝，另外不增加构件重量，施工简便迅速；桥面现浇层重新浇注C40混凝土，有效提高桥梁整体性，恢复桥梁承载力。

五、方案比选

方案一：采用加大截面加固，分析概念明确，承载力提高较显著，有效提高结构整体刚度。但施工较繁琐。

方案二：桥梁横向整体性显著增强，承载力得到提高。该方案施工简便，容易操作，但承载能力与刚度提高幅度与方案一相比略小。

通过比选方案一作为加固实施方案。

六、桥梁改造后评价

该桥改造加固设计在病害分析的基础上，采用了加大拱脚部位的钢筋混凝土截面，拆除肋腋板，拱顶下缘及弦杆跨中截面下部粘贴CFRP碳纤维布，整体现浇桥面板的综合技术措施，以提高了全桥的承载能力和刚度。

主拱腿拱脚部分钢筋混凝土截面加大，增加了拱脚处拱圈截面尺寸与钢筋，增大拱肋的应力储备，同时增大了拱腿的横向联系，提高了桥梁的横桥向振动频率，在很大程度上改善了桥梁的动力工作性能，保证桥梁的安全性和使用性。

粘贴碳纤维布加固法将高强复合碳纤维直接贴在拱肋薄弱部位，与被粘贴拱肋部分形成整体，共同受力，以限制裂缝的发展，提高桥梁的承载力。

经加固后该桥病害得到较好的控制，工作性能得到很大的改善，而且施工简单，工期短，经济性好。根据公路桥梁规范和设计要求，加固后的桥梁的受力总体上达到加固设计的预期目的，能够达到原设计荷载汽—超20级，挂车—120的正常使用。