钢筋混凝土肋拱桥病害分析及加固整治

2013-04-29莫定旭

世界华商经济年鉴·城乡建设版 2013年5期

莫定旭

【摘要】以塔山湾大桥加固项目为工程背景，详细分析了钢筋混凝土肋拱桥常见的特征病害及病害成因，并根据检测评定结果建立了符合桥梁实际状态的有限元模型进行了检算，为后续的加固维修设计提供参考数据。根据分析结论及大桥现状对塔山湾桥进行加固设计，最后通过加固后的荷载试验对实际加固效果进行评定，说明了所选加固方法的有效性。

【关键词】钢筋混凝土肋拱桥；特征病害；加固设计；荷载试验

1 概述

钢筋混凝土肋拱桥桥型于上世纪六十年代在湖南湘潭诞生，七十年代初，全国各地进行了尝试性的实践，七十年代末至九十年代得到了广泛的采用。该桥型曾一度以其跨越能力大、材料耗费少、工程造价低、施工难度低等明显优势成为了桥梁工程师处理跨越“V”形、深“U”形河流、河谷的首选桥型。但是，由于在设计时，对结构体系和构造未考虑周全，对构件的计算模型简化和工况模拟不尽合理；以及部分工程在施工中质量控制不严，养护及使用阶段的检测、维护管理不到位；加之部分桥梁的设计荷载标准偏低、运营时间较长、车辆荷载日益重型化以及汽车超载超速等各个方面的影响，相当部分的桥梁上部结构已经不同程度的出现病害和损伤，危及了桥梁使用的安全性、舒适性和结构自身的美观性、耐久性。因此，对钢筋混凝土肋拱桥这些病害现状、成因进行调查研究和分析总结已迫在眉睫。同时，也需要提出一套适用性强、技术先进、合理有效的处治加固技术，以尽快指导钢筋混凝土肋拱桥旧桥加固和新桥建设实践，从根本上保障人民生命、财产安全，促进社会经济发展以及公路交通行业的前进。

本文以川陕公路广元嘉陵江塔山湾大桥维修加固项目为工程背景，将桥梁安全性评估理论、加固设计原则及方法应用于广元嘉陵江塔山湾大桥的加固设计中，根据旧桥检测数据建立有限元模型计算分析了加固前桥梁的承载能力，根据计算结果及大桥现状进行加固设计，并利用荷载试验评定了大桥加固后性能，说明加固方法的有效性。为同类桥梁的加固设计及安全性评估提供参考。

2 钢筋混凝土肋拱桥常见病害分析及成因分析

2.1钢筋混凝土肋拱桥常见病害

钢筋混凝土肋拱桥同其他桥梁结构工程一样，作为社会公共设施，必须具备足够的承载能力、良好的工作性能、足够的耐久性能和必须的整体稳定性。经对广元嘉陵江大桥和龙洞背大桥及省内其他同类工程检测、分析，归纳钢筋混凝土肋拱桥主要常见病害有：桥梁行车响声大，振动感强烈，余振时间较长，且多呈三维空间振动；桥面铺装横向裂缝较多，拱肋不对称变形，拱上纵梁裂纹较多，桥面铺装及人行道系溃烂严重，栏杆外倾及人行道、栏杆块件掉落等。以上常见的病害现象可按如下分类：

1、按其损害性质不同，主要划分为结构性能病害和工作性能病害。其中，结构性能病害常见发生构件包括：拱座和墩帽、拱肋、肋间连系梁、拱上立柱、拱上纵梁、横置桥面板、桥面铺装层、人行道或安全带；工作性能病害在桥梁整体、拱肋、桥面铺装、人行道栏杆系等部位都较容易发生。

2、按病害表观形式分类主要有：裂缝类、变形类、结面类、表面损坏及局部破损等五大类。其中，裂缝是钢筋混凝土肋拱桥的最常见病害现象，按产生时序可分为：早期裂缝、强度成长期裂缝、使用期裂缝等，按裂缝尺度可分为：微裂缝和宏观裂缝。

2.2钢筋混凝土肋拱桥病害成因分析

造成钢筋混凝土肋拱桥病害的原因是多方面的。在设计时，对结构体系和构造未于周全考虑，对构件的计算模型简化和工况模拟不很合理，这是目前钢筋混凝土肋拱桥产生主要病害的客观存在的重要原因；部分工程在施工中，质量控制不严；养护及使用期检测、维护管理疏忽；加之部分桥梁的设计荷载标准低、运营期较长以及车辆荷载日益重型化等诸多方面的影响。根据对龙洞背大桥、塔山湾大桥等众多肋拱桥的现场检查、检测、复算及部分工程加固、改造后复查情况的分析总结，其主要病害产生原因及机理如下所述。

1、钢筋混凝土肋拱桥拱圈病害成因分析

在设计上，由于以往在进行此种桥型体系计算时，将空间杆系模型简单的离散为平面杆系模型，未曾将肋间系梁作为结构受力构件进行设计。另外，对拱肋受力性质认识不准确，主要参数设定不尽合理也是导致拱圈病害的重要原因。由于在存在上述两个方面的因素，加之在设计时忽略肋间因差异变形而产生的内力，致使拱圈强度不足、刚度不足，造成了严重的结构性病害。

在施工及运营管理时，由于在施工过程中，绝大多数拱圈是预制、现浇复合结构，

拱肋工地制作、安装误差一般都较大，现浇混凝土和接头混凝土质量不易控制，频繁振动和变形致使现浇混凝土与预制构件大多脱离，纵横向连接构造被破坏，从而进一步削弱了肋拱的整体刚度和整体受力性能。另外桥梁基础和墩台的发生沉降造成了拱圈病害加剧，同时汽车超重、超载也降低桥梁结构的安全系数和使用耐久性。

2、钢筋混凝土肋拱桥横置桥面板病害成因分析

造成钢筋混凝土肋拱桥横置桥面板病害的主要因素主要包括设计强度和刚度严重不足、板间联结强度不足，铰缝施工质量差、支垫构造不合理等几个方面。在以往横置铰接桥面板不仅考虑铺装层参与受力，且板块受力分配系数通常取到了0.5至0.6，但铰缝连接薄弱，一旦出现横桥向裂缝，几乎是单板受力。在车辆行进过程中，各相邻板产生压弯下挠和回弹变形，造成板间存在瞬时竖向相对位移，形成高差，从而产生冲击荷载作用，增大荷载作用效应。桥面板间一般采用企口型铰缝联结，但因尺寸小，混凝土强度低，加上在浇筑混凝土时质量未达到设计要求，造成板与板间的荷载横向传递不好，使单板受力增大，与设计预想的各板在牢固铰接状态下共同受力有非常大的差异；造成作用大于抗力因而出现裂缝甚至混凝土压碎、断裂。肋拱横置车道板和纵梁的结合部通常采用砂浆垫层，砂浆的强度和韧性不足，加之，施工时很难控制水灰比、密实度和平整度，在桥面震动下脱落，从而形成多支点的现象或在支点处产生脱空的现象，导致横置桥面板出现受力不均匀。

3、钢筋混凝土肋拱桥墩台病害成因分析

墩、台帽在中部和拱脚附近常出现平行于桥轴线的裂纹和桥台前墙拱座附近常见竖向平行裂缝往往是肋拱桥的墩、台的特征病害。肋拱桥的两个肋拱压在墩、台帽两端，浆砌块石墩、台身局部受压导致钢筋混凝土中部承受负弯矩，上缘受拉；加上墩台混凝土的收缩、徐变等时变效应以及温度均引起墩台帽中部受拉，导致抗拉钢筋不足，从而出现开裂。

4、钢筋混凝土肋拱桥其他病害成因分析

（1）桥梁振感强烈

整个拱上构造均为铰支体系，不能参与共同作用，整体性较差。

（2）桥面铺装层易见损坏

铺装层普遍偏薄，干缩、安装误差、铰缝破坏以及超载等因素均易导致铺装层破坏。

（3）人行道、栏杆系损坏

预制安装构件连接构造设计薄弱，施工质量较差。

（4）拱上纵梁和立柱损坏

拱上纵梁一般在支点负弯矩处截面强度不足，造成截面上缘出现裂缝。少见的跨中截面下缘的裂缝同样是截面强度不足。

3 塔山湾大桥加固前结构检算

3.1工程概述

塔山湾大桥桥型总体布置为：引桥5×40米实心矩形双肋钢筋混凝土拱+主桥3×85米箱形双肋钢筋混凝土拱，全桥总长为530.52米。引桥主拱圈采用矩形断面等截面悬链线钢筋混凝土拱肋，双肋用横系梁联结，拱轴系数m=1.347，净矢高f=6.67米，矢跨比为1/6，截面高1.1米，单肋宽0.8米；主桥主拱圈采用箱形断面等截面悬链线钢筋混凝土拱肋，箱之间通过企口湿接缝联结为整体，拱轴系数m=1.347，净矢高f=12.143米，矢跨比为1/7，截面高1.5米，单肋宽2.8米，每肋为双箱，箱顶厚度均为20厘米、箱底厚度为15厘米，为减轻吊重，板顶由10厘米预制混凝土和10厘米二次现浇混凝土组成。桥面系采用横置装配式车道板。桥梁长时间超负荷运营，且频繁遭受汽车撞击，上部结构病害及损伤较重。塔山湾大桥见图3-1所示。

3.2塔山湾大桥结构检算计算模型

利用大型桥梁结构分析专业计算软件Midas/Civil建立了全桥结构空间有限元模型。模型采用梁单元模拟桥墩、拱圈、立柱以及桥面结构，采用实体单元模拟5号交界墩，利用板单元模拟拱顶部位桥面结构与拱圈的连接，全桥共计5753个节点，6725个单元。其中，梁单元4816个、板单元208元、实体单元1701个。全桥有限元模型如图3-2所示。

根据分析结果初步确认根据现行规范验算，主拱圈拱脚位置在极限承载能力组合工况下的极限承载能力不足，85米跨纵梁的立柱顶部负弯矩区承载能力不足以及全桥整体稳定性安全系数偏低，不能满足使用要求。以上检算结果给塔山湾大桥的加固维修工程提供了理论数据，使对桥梁的加固整治更有针对性和实效性。

4 塔山湾大桥加固及加固后性能评定

（1）3孔85米主桥拱肋加固

根据受力分析结果，在所有拱肋的拱脚处，拱肋的拱背加厚20厘米，做成40号钢筋混凝土现浇层，并植筋锚固在拱座和原拱肋的拱背上，加厚范围为拱脚至第一根立柱。

（2）5孔40米引桥拱肋加固

5孔40米拱桥的拱脚段均外包20厘米厚的40号钢筋混凝土，并植筋锚固在拱座和原拱肋上，加厚范围为拱脚至第一根立柱。

（3）拱上纵梁的加固

在纵梁的跨中底面均粘贴钢板进行补强；对支点处纵梁顶面有裂缝和压碎的结构先进行修补，用40号改性环氧砂浆对纵梁两端压碎的混凝土进行修补；对外露钢板做防锈处理；全桥新增20道垫墙间系梁和32道纵梁间系梁，系梁均设在原伸缩缝两侧，通过植入钢筋与拱顶垫墙或纵梁连接为一整体。

（4）立柱的加固

对三支点立柱应除去在立柱顶端被压碎的混凝土、钢筋除锈，再外包钢板，并锚固在立柱顶端，以此作为模板，用40号改性环氧砂浆填充周围空隙。并尽量消除支承面油毡，用高标号水泥砂浆压注，消除三点支承。

（5）垫墙的加固

除去破碎混凝土，钢筋除锈，用40号改性环氧砂浆修补，0.2毫米以下裂缝用衡压灌注法灌注结构胶。