某刚架拱桥加固设计及计算分析

2015-02-21谷国强

黑龙江交通科技 2015年11期

关键词：刚架抗力拱桥

谷国强

(上海同纳建设工程质量检测有限公司)

某刚架拱桥加固设计及计算分析

谷国强

(上海同纳建设工程质量检测有限公司)

针对刚架拱桥所产生的病害，根据现状桥梁的计算分析，提出了对该桥具有针对性的加固方案，通过加固后与加固前的桥梁结计算分析对比，结果表明该桥承载能力及安全系数明显提高，该桥加固方案切实可行，并对其它刚架拱桥的加固设计、计算分析具有较好的借鉴作用。

拱桥；刚架拱；桥梁病害；加固设计；计算分析

1 工程概况

某刚架拱桥，修建于1988年，上部结构为1孔钢筋混凝土刚架拱桥，设计荷载为汽车-20级，挂车-100，人群300 kg/m2。桥梁全长59.12 m，全宽25.50 m，行车道宽19.00 m，两侧人行道净宽各3.25 m。全桥共8片刚架拱片，净跨径40 m，净矢高4 m，净矢跨比1/10，主体结构混凝土为300号，钢筋为Ⅱ级。下部结构为重力式墩台，重力式扩大基础。桥型布置见图1。

图1 桥型布置示意图

2 桥梁病害

经检测，该桥存在以下病害。

(1)全桥微弯板多处渗水严重，混凝土胀裂、脱落、劣化严重，钢筋锈蚀较严重。

(2)50%的拱片混凝土劣化面积已经高达90%，部分主筋截面损失最多也高达80%。主拱腿及斜撑多处混凝土胀裂、脱落，钢筋锈蚀严重，部分主筋截面损失高达70%。

(3)拱片拱顶位置处均出现较为严重的下挠，其中最为严重的已下挠13.9 cm。经检测刚架拱片混凝土强度较低，钢筋保护层厚度均匀性较差，混凝土碳化深度很大，深度最大处已高达33 mm，易造成钢筋进一步锈蚀。拱片未发现可见的受力性裂缝。

(4)横系梁及横隔板均未出现明显的开裂等病害。

无论从外观还是从材质状况看，本桥病害已经非常严重，桥梁技术状况综合评定等级为D级，按照《城市桥梁养护技术规范》(CJJ 99-2003)规定，本桥为不合格状态，已严重影响到桥梁的承载能力与耐久性能，应及时加固处理。

3 加固设计分析

经现场调查及对照检测报告，该桥的主要病害是耐久性方面的问题，未发现肉眼可见的受力性结构裂缝。就目前的技术状况而言，该桥只需要进行表层维修。

按现行设计规范对该桥进行承载能力检算后发现，刚架拱桥多处不能满足规范要求，这一计算结论与实际技术状况不符。经过深入分析，主要有下面两个原因。

(1)该桥的实际车流量不大，且通行车辆主要是城市小型车辆，很少有大货车，实际汽车荷载与汽车-20级(约相当于城-B级)有相当的距离。

(2)该桥墩台采用了体量较大的重力式墩台，且地质条件较好，由于基底摩擦力及台后土压力的平衡，该桥未发生墩台水平位移。

按照计算，汽车荷载及基础水平位移造成的弯矩在控制截面的弯矩中占有最高比例，但汽车荷载实际不大，基础位移未发生明显位移，所以该桥的实际状况比理论计算要好。

该桥所在道路为城市次干道，设计汽车荷载不应低于城-B级，若不对该桥进行结构加固，则必须实施限载才能确保将来的安全，这不利于该桥应有功能的发挥，也给城市管理增加了难度。考虑到将来城市的发展需要及结构所应有的安全储备，决定对该桥进行耐久性维修的同时进行结构加固，以使之满足现行规范的要求，继续正常服役。

4 刚架拱桥加固方案

该桥主要是对拱片拱脚采用增大截面法加固，对拱片其它部位及弦杆采用了粘贴钢板加固法。具体加固方案如下：

(1)拱腿加固

拱腿根部处于干湿交替环境，目前该部位的劣化程度明显高于其它部位，考虑到加固后的耐久性问题，选择增大截面加固法。加固厚度按构造要求的较小值控制，已可满足结构受力需要，最终选择底面、侧面三面围套各10 cm的方式。因加厚尺寸较小，振捣较困难，故采用了自密实混凝土。沿拱腿纵向的加固范围除考虑结构受力的需要外，也兼顾满足新增混凝土范围超出河道较高水位的要求，以改善该部位的耐久性。

(2)拱片实腹段及弦杆加固

拱片实腹段及弦杆主要是受弯承载力不足，采用较为简便的粘钢加固法，根据受力需要，弦杆采用宽250 mm厚5 mm的钢板，拱片采用宽300 mm厚8 mm的钢板，并在跨中拱片的两侧面加贴了一段宽150 mm厚8 mm的钢板。为提高粘钢加固对于汽车动力荷载的适应性，设置了锚栓对粘结钢板予以锚固。

(3)混凝土结构表层缺陷处理

本桥除结构加固外还有大量的表层缺陷维修工作，包括对有缺陷或缺损的混凝土进行凿毛、钢筋除锈、混凝土表面清洁、采用修补料进行修补等。

5 加固前后刚架拱桥检算与结果对比

5.1 计算模型

刚架拱桥采用桥梁博士V3.3建立平面杆系模型。

加固前模型：刚架拱桥计算根据荷载横向分布取单拱片进行建模计算，汽车荷载横向分布系数按弹性支承连续梁法取值；计算模型考虑了桥梁的施工过程：(1)先支架架设预制构件；(2)浇筑湿接头形成拱片，拱片各节点为刚接；(3)安装微弯板并浇筑现浇桥面板；(4)施加二期恒载，并将拱腿设为固接。

加固后的计算模型与加固前类似，在加固前的计算模型上增加加固信息而得：将粘钢加固的钢板换算为等面积的HRB335钢筋以模拟粘钢加固，用桥梁博士的附加截面功能来模拟拱脚的增大截面加固。

(1)原结构设计混凝土标号均为300号，混凝土强度等级按C25考虑。拱腿增大截面新增混凝土采用C30混凝土。

(2)原结构采用钢筋为一级和二级钢筋，分别按现行的R235级和HRB335钢筋考虑。拱腿增大截面新增纵向受力钢筋采用HRB335钢筋。

(3)粘钢均采用Q345d钢板。

(4)设计荷载等级：汽车荷载，城-B级；人群荷载，3.5 kN/m2。

其它荷载按照《城市桥梁设计规范》(CJJ 11-2011)取值。

5.2 加固前、后计算结果对比

加固前、后刚架拱片正截面承载能力验算见图2～图6所示，加固前、后控制截面强度结果对比见表1，其中绿色为内力，红色为抗力。

图2 加固前刚架拱最大弯矩组合内力及对应抗力(单位：kN)

图3 加固后刚架拱最大弯矩组合内力及对应抗力(单位：kN)

图4 加固前刚架拱最小弯矩组合内力及对应抗力(单位：kN)

由图3～图4及表1可见，最大正弯矩组合下强度不足的部位是：(1)拱顶较大范围内，安全系数为0.66；(2)边弦杆和中弦杆下缘钢筋截断处局部位置；(3)拱腿上端局部位置。加固后控制截面安全系数全部大于1.0，符合城-B级荷载要求，加固效果明显。

图5 加固后刚架拱最小弯矩组合内力及对应抗力(单位：kN)

最不利工况控制截面加固前加固后荷载效应/kN抗力效应/kN安全系数荷载效应/kN抗力效应/kN安全系数最大弯矩组合内力及抗力拱顶311820540．66304434421．13拱腿拱脚224729561．32226555522．45拱腿上端176716430．93192419581．02边弦杆跨中6294640．746717571．13中弦杆跨中9727140．7387810211．16最小弯矩组合内力及抗力拱腿拱脚189210530．56199821091．06拱腿上端230021420．93229429911．30

由图5～图6及表1可见，最小弯矩(最大负弯矩)组合下强度不足的部位是：(1)拱脚较大范围内，安全系数为0.56；(2)拱腿上端局部位置。加固后控制截面安全系数明显提高，且全部大于1.0，符合城-B级荷载要求，加固效果明显。

加固前、后刚架拱片裂缝宽度验算见图3～图7所示，加固前、后控制截面裂缝宽度验算结果对比见表2所示。