某箱型拱桥病害调查及加固方案设计

莫仕步，胡松山，赵月青

(1.广西长长路桥建设有限公司，广西 南宁 530011；2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007；3.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007)

某箱型拱桥病害调查及加固方案设计

莫仕步1，胡松山2，3，赵月青1

(1.广西长长路桥建设有限公司，广西 南宁 530011；2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007；3.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007)

文章以云南某箱型拱桥为工程实例，分析了该桥受重交通荷载影响而出现的裂缝、板块断裂、铺装层推移及桥梁拱轴线下挠等病害类型及其成因，提出了更换原上部结构T型梁、封闭环套加固技术等分布加固维修方案，并对加固后的桥梁结构进行力学验算，结果表明：加固后主拱圈各控制截面安全富裕量显著增加，桥梁承载能力得到大幅度提高。

箱型拱桥；病害类型；加固设计；力学验算；换套加固技术

0 引言

箱型拱桥作为国内主要桥梁结构类型，由于其具有受力合理、结构美观等优点，在20世纪桥梁建设过程中得到很大的发展。由于建造年代的局限性，加之目前交通大发展各等级道路上桥梁设计荷载等级普遍偏低，不能满足当代通行要求，桥梁结构出现大量的超载受力裂缝和拱轴线下挠等病害。为了适应和满足交通发展的需要，有必要对此类桥梁进行提级改造。在保证交通正常通行情况下，做到投资少、节省时间和提高旧桥技术等级及设计荷载等级，选择合理的加固设计方案显得非常必要。本文以云南境内某国道一座混凝土箱型拱桥为工程依托，通过分析桥梁病害类型及加固前后力学验算分析，对其加固效果进行评价，为同类型桥梁加固提高参考价值。

1 工程概况

某箱型拱桥设计为主孔净跨经130 m，净矢高16.25 m，净矢跨比1/8。拱箱厚度为2.3 m，单个拱箱宽度为1.72 m，主拱圈设计线性为悬链线。为减少拱上恒载，拱上建筑采用等跨为10 m的预制T梁以及I形截面排架墩。桥面净宽：净11.0 m(行车道)+2×0.5 m(防撞护栏)。如图1所示。

(a)该箱型拱桥立面尺寸图

(b)该箱型拱桥立柱断面尺寸图

2 病害类型调查及桥梁状况评价

2.1 主要病害

2.1.1 拱轴线下挠

拱桥主拱圈因荷载长期作用，拱顶产生不同程度的下挠，设计中对主拱圈拱轴线设置一定的预拱度，可抵抗拱圈的变形，改善拱圈受力，拱轴线的准确测量结果是进行桥梁计算、旧桥改造的重要依据。经检测，主拱圈拱顶存在明显下挠，且在桥面肉眼清晰可见。自2002年10月8日竣工以来，主拱圈外弧边缘线实测轴线相对竣工时轴线下沉310 mm，测量数据拟合曲线如图2所示。

图2 实测拱轴线与设计拱轴线对比图

2.1.2 结构病害

(1)该箱型拱桥引孔部分0#台、2#墩～5#墩和腹孔部分等均存在支座局部脱空。

(2)从桥梁结构构件表观缺陷看，局部区域混凝土表面存在裂缝群。上行线左端引桥2-1#梁、3-1#梁、3-2#梁、4-1#梁、5-1#梁、5-2#梁、5-4#梁、6-1#～3#梁存在多条竖向裂缝，最长裂缝达90 cm，其中21条竖向裂缝>50 cm，裂缝间距0.06～0.08 mm；上行线左端腹孔1-1#梁、1-2#梁、2-2#梁、2-3#梁、3-1#梁和4-2#梁存在竖向裂缝19条，裂缝宽度在0.04～0.06 mm之间；上行线右岸腹孔1-1#～5#梁存在21条竖向裂缝，裂缝宽度在0.02～0.04 mm；上行线右岸引孔2-1#、2-2#、2-4#梁存在26条竖向裂缝，裂缝宽度在0.02～0.06 mm，且局部混凝土出现破损、露筋病害。

(3)该桥桥面为沥青混凝土桥面板，由于所处境内运输煤矿车辆较多，桥面出现车辙、拥包、纵横向裂缝、沥青混凝土铺装层位移等现象。

(4)由于该桥运营时间较长，除外省籍车辆的正常运输外，该桥梁处于产煤境内，大量煤矿的集中运输及大型超重车辆频繁经过，造成该桥实腹桥面出现局部沉陷，经现场清凿桥面沥青铺装层及桥面铺装后发现实腹段预制混凝土小板断裂。

2.2 桥梁状况评价

按照《公路桥涵养护技术规范》(JTG H11-2004)有关规定对该桥进行技术状况综合评估(见表1)。综合评定采用式(1)。

表1 该桥技术状况综合评定表

(1)

式中：Ri——按规范规定对各部件确定的评定标度(0～5)；

Wi——各部件权重，∑Wi=100；

Dr——全桥结构技术状况评分(0～100)，评分高表示结构状况好，缺损少。

该桥被评定为Ⅱ类桥梁结构，有必要对其进行加固维修处理。

3 加固处理方案设计

3.1 引桥加固

针对该桥上部结构如引桥、引拱10m普通钢筋混凝土T梁开裂部分，采用T梁体外预应力或多孔连续、T梁底部粘贴钢板及裂缝注胶封缝、T梁底部及梁体腹板中性轴以下粘贴U型芳波伦碳纤维布等方法进行加固。而对于桥面、伸缩缝及腹板损坏，采用人工配合机械清理桥面病害及损坏部分的桥面铺装层，视情况确定是否进行桥梁桥面铺装层的全面清除，并视腹孔小板损坏情况修复或更换腹孔小板。

3.2 预拱度设置

由于该桥混凝土的收缩徐变，经过多年运营后，桥面高程发生变化，拱轴线发生下挠。为限制加固后桥面高程后期营运过程中的高程变化，设置预拱度。采用桥梁博士进行分析计算，如表2所示。

表2 预拱度计算结果表

根据计算结果，中梁向上设置预拱度4.2mm，边梁向上设置预拱度4.7mm。

3.3 主桥T梁更换及加固效果

因主桥原T梁刚度不足、同时大型超重车辆频繁通行，T梁腹板、底板已出大量裂缝，为提高主桥T梁刚度及抗弯能力，同时不过多增加上部结构自重，将原主桥T梁截面改成梁底加马蹄形T梁，主拱加固合计增加荷载84.82t。

为了进一步了解更换T梁上部结构整座拱桥的力学响应及加固效果，采用大型有限元软件Madas/Civil2010进行分析，汽车活载按汽车超-20，挂车-120车辆荷载分别进行计算，然后取其较不利者。根据当地气象资料，降温荷载取为5 ℃，升温荷载取10 ℃。本桥计算工程中按《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)第4.1.6条承载能力极限状态进行计算。荷载组合：工况①，1.2×恒载；工况②，1.2×恒载+1.4×车道荷载最大值+0.98温升；工况③，1.2×恒载+1.4×车道荷载最大值+0.98温降；工况④，1.2×恒载+1.4×车道荷载最小值+0.98温升；工况⑤，1.2×恒载+1.4×车道荷载最小值+0.98温降；工况⑥，1.2×恒载+1.4×特种荷载最大值+0.98温升；工况⑦，1.2×恒载+1.4×特种荷载最大值+0.98温降；工况⑧，1.2×恒载+1.4×特种荷载最小值+0.98温升；工况⑨，1.2×恒载+1.4×特种荷载最小值+0.98温降。

图3 不同工况作用下各控制截面安全富裕量柱形图

为分析更换T梁后对整座桥梁结构安全性能影响，将不同工况下引起拱桥不同控制截面的安全富裕量进行分析，如图3所示。

分析发现：通过计算拱桥上部10m跨径简支T梁在转换为连续结构后的主拱圈内力状态，结构显示该桥在恒载工况下，各控制截面均能满足承载力要求，在4个升温组合工况下，拱桥各截面均能满足承载力要求，而在4个降温组合工况下，拱脚截面均不满足承载力要求，其他截面均能满足承载力要求。全桥部分截面安全储备不足，建议进一步对主拱圈进行进一步加固整治处理。

3.4 主拱圈加固方案

3.4.1 原材料

主拱圈主要采用自密实混凝土进行加固处理，由于自密实混凝土具有很高的流动性，并在混凝土的浇筑过程中不发生离析、泌水，能够不依靠自重作用填充模板空间和包裹密集分布钢筋。工程中配制自密实混凝土的主要原材料指标如下所示：

(1)水泥：有关实验和研究资料表明，普通硅酸盐水泥配制的自密实混凝土较矿渣水泥、粉煤灰水泥配制的混凝土和易性、均质性好，混凝土硬化时间短，混凝土外观质量好，便于拆模。选取普通硅酸盐水泥配制自密实混凝土，其物理力学性能指标见表3。

表3 水泥的物理力学性能表

(2)细集料：属Ⅱ区中砂，细度模数为2.9，表观密度为2.717g/cm3，堆积密度为1.64g/cm3，泥块含量为0.2%，压碎值18.0%。级配如图4所示，符合GB/T14684-2001《建筑用砂》Ⅱ级级配的要求。

图4 细集料级配曲线图

(3)粗集料：表观密度为2.718g/cm3，堆积密度为1.55g/cm3，含泥量为0.6%，针片状含量为7.9%，压碎值为12.9%，级配如图5所示。

图5 粗集料筛分曲线图

(4)掺配设计曲线：各种集料掺配比例确定为粗集料∶石屑=50%∶50%，高效减水剂掺量为1.0%，采用饮用水拌制，自密实混凝土掺配曲线如图6所示。

图6 自密实混凝土掺配设计曲线图

3.4.2 加固措施

主拱圈加固方案设计为：拱脚空腹段采用现浇C50封闭套箍加固技术，加固长度为9.0m；主拱圈顶板、侧肋现浇25cm厚C50混凝土，主拱圈底板现浇25cm厚C50自密实混凝土，拱腹、拱背加固层厚度为25cm，拱侧加固层厚10cm；钢筋采用HRB335直径为25mm，在拱背和拱腹处植入HRB335φ16mm钢筋，主拱拱台处植入HRB335φ25mm钢筋，如图7～8所示。在整个加固实施前，对原结构石料松动、脱落等不良情况，均采取凿除后用界面剂修复后再进行其他工序的施工。

图7 主拱圈加固设计图

图8 实腹填心段注浆加固图

4 加固前后力学验算

加固前后主拱圈挠度验算、主拱圈整体“强度-稳定性”验算计算结果见下页表4～5。不同工况下各主控制截面安全富裕量增加量如下页图9所示。

(1)结构加固前后在一般汽车荷载和特种汽车荷载作用下的各主控制截面的拱箱挠度绝对值均小于规范限值L/1 000=13cm的要求，加固前最大变形值为11.335cm，加固后最大变形值为11.660cm。

(2)加固前后，该拱桥在各种工况组合下，主拱圈拱箱均满足整体“强度-稳定”规范要求。

(3)主拱圈加固后，不同工况荷载作用下，各主控制截面安全富裕量均有很大提高，且拱脚采用套箍加固技术后，安全富裕量提高明显。一般荷载作用下加固后安全富裕量最大增大值为工况④拱脚截面增加13.30倍；特种荷载作用下加固后安全富裕量最大增大值为工况⑦左拱脚截面22.46倍。

表4 加固前后主拱圈挠度对比表

图9 不同工况作用下各控制截面安全富裕量增加倍数图

工况加固前Hd(kN)Nd(kN)r0×Nd判断结果加固后Hd(kN)Nd(kN)r0×Nd判断结果①9724.41211013.5812114.94通过-9429.5411013.58-11747.58通过②10801.6912233.6713457.04通过10442.3712233.6713009.39通过③10590.8211994.8413194.33通过10151.3811994.8412646.87通过④10801.6912233.6713457.04通过7870.4312233.679805.19通过⑤10590.8211994.8413194.33通过7579.43911994.849442.67通过⑥13396.5315172.5116689.76通过15932.9715172.5119849.73通过⑦13185.6514933.6816427.04通过15745.8314933.6819616.58通过⑥9681.71410965.2212061.74通过6629.59810965.228259.33通过⑦9470.83810726.3911799.03通过6442.45710726.398026.19通过

5 结语

本文以云南某箱型拱桥为例，对箱型拱桥混凝土裂缝、拱轴线下挠等病害类型进行加固方案设计。

(1)对该桥梁现阶段病害类型进行正确把握并提出合理加固方案设计，对桥梁主要病害的成因分析是加固设计的重点。

(2)在不增加原桥梁自重情况下，采取马蹄型T梁取代原T梁结构，加大了桥梁上部结构整体刚度和稳定性；根据力学分析，采用自密实混凝土材料和环套加固技术对主拱拱脚进行加固处理，在保证正常车辆通行情况下，此加固方法在加固效果、施工难易程度及经济性和可行性等方面都是最合理的。

(3)加固后桥梁的承载能力有了显著提高，在不同工况荷载情况下主拱圈各控制截面较加固前有明显改善，桥梁的主拱圈挠度和“强度-稳定性”等满足规范要求，达到了拱桥加固的预期效果。

为了保证桥梁结构在后期安全运营的整体强度，建议桥梁养护部门对加固后桥梁做定期“体检、护理”，增强桥梁“体质”，对重载交通车辆实行上桥车辆管制，加大超载治理力度，确保桥梁结构长期安全运营。

[1]JTGH11-2004，公路桥梁养护规范[S].

[2]李令喜.枝城长江大桥公路桥维修加固设计方案研究[J].中外公路，2013，33(5)：136-139.

[3]李桓兴，杨春雷，谭晓琦，等.云南省六库怒江大桥加固设计方案研究[J].公路工程，2013，38(2)：129-132.

[4]余超良.体外预应力加固连续梁桥施工监控研究[J].中外公路，2013，33(6)：202-204.

Disease Investigation and Reinforcement Plan Design of A Box-shaped Arch Bridge

MO Shi-bu1，HU Song-shan2，3，ZHAO Yue-qing1

(1.Guangxi Changchang Road and Bridge Construction Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011；2.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；3.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007)

With a box-shaped arch bridge in Yunnan as the practical example，this article analyzed the diseases types and causes of cracks，plate fracture，pavement layer evolving and bridge arch axis downwarping of this bridge caused by heavy traffic load，proposed the replacement of original T-beam superstructure，closed sleeve reinforcement technology and other distribution reinforcement and repair programs，and conducted the mechanical checking on the bridge structure after reinforcement，and the results showed that：after the reinforcement，the safety margin of all control cross-sections in main arch has a significant increase，and the bridge carrying capacity is greatly improved.

Box-shaped arch bridge；Disease type；Reinforcement design；Mechanical checking；Sleeve-replacement reinforcement technology

莫仕步(1980—)，工程师，主要从事公路与桥梁技术管理工作；胡松山(1986—)，硕士，工程师，主要从事路面结构设计与材料研发；赵月青(1977—)，工程师，主要从事公路与桥梁试验检测管理工作。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.07.013

1673-4874(2015)07-0053-06

2015-06-04