某公路双曲拱桥承载能力分析与加固技术研究

祝于红　邹政权

(1.浙江通衢交通建设监理咨询有限公司　衢州　324000;　2.浙江金筑交通建设有限公司　杭州　310051)

某公路双曲拱桥承载能力分析与加固技术研究

祝于红1邹政权2

(1.浙江通衢交通建设监理咨询有限公司衢州324000;2.浙江金筑交通建设有限公司杭州310051)

摘要针对使用多年且以重载交通为主的双曲拱桥，通过现场调查分析其主要病害，并采用有限元法验算桥梁承载能力。对承载能力不足的主拱圈截面，分别采用加大截面、粘贴钢板、加大横系梁等方法进行了加固，在有效提升结构承载能力的同时，还提高了结构的耐久性，为延长桥梁的服役寿命提供了保障。通过静动载试验及加固后超过1年的观察，桥梁运行状况良好，证明了所提出的加固方法的可行性和有效性。

关键词双曲拱桥桥梁加固截面加厚粘钢承载能力

双曲拱桥具有结构美观轻巧、 造价经济、 施工方便等优点，在我国桥梁建设中得到了广泛应用[1-2]。随着交通量逐年增多，重载超载车辆严重，同时由于双曲拱桥建成时间较长，结构承载力下降，维修不到位等原因，造成双曲拱桥病害日益突出。本文以某双曲拱桥为工程实例，通过MIDAS软件对主拱圈承载能力进行分析，探讨不同的主拱加固方法的应用情况，评价双曲拱桥加固后所达到的实际效果。

1　工程概况

某单跨双曲拱桥，于上世纪90年代初建成，设计荷载为汽车-15、挂车-80。桥梁全长39.2m，跨径30m，矢高3.65m，桥面净宽8.75m。主拱圈横向采用5肋4波，两侧外悬半波，肋间为预制混凝土拱波。下部结构采用重力式桥台，见图1。该桥桥上通行为旅客以及货车为主。交通量逐年增大，另外桥梁设计荷载等级偏低，双曲拱桥结构整体较差，桥梁运营至今已频繁出现病害，为了确保通行安全，需对桥梁采取加固措施。

图1　桥型布置图(单位：mm)

2　病害分析

桥梁经过现场检测，主要病害有：混凝土主拱圈、横系梁受过往船只刮擦、撞损较严重，拱圈底面混凝土大面积剥离、露筋。拱上立柱以及立柱横梁的钢筋锈蚀严重，导致混凝土保护层剥落。拱波顶部出现纵向贯通裂缝，裂缝宽度0.2～0.5mm。桥面混凝土铺装层剥离、坑槽普遍，并有贯通横缝。双曲拱桥侧墙发生鼓肚，排水不畅，填土内聚积水从桥面裂缝直接渗漏至拱圈上。

2　桥梁承载能力评定

2.1计算模型及荷载组合

(1) 计算模型。采用MIDAS软件对主拱圈

参考文献

[1]郭良友.绳索的振动特性及斜拉索的索力测量[J].桥梁建设，1995(1):61-64.

[2]朱金国，陈宜民.频率法测定拉索索力[J].安徽建筑，2003(2):84-85.

[3]宋一凡，贺栓海.固端刚性拉索索力分析能量法[J].西安公路交通大学学报，2001,21(1):55-57.

[4]R·克拉夫.结构动力学[M]. 2版：修订版.北京：高等教育出版社，2006.

建立空间梁单元模型，见图2，不计拱上建筑与主拱肋的联合作用，将其自重以外荷载的方式施加在模型上。以空间梁格法来模拟实桥结构，主拱圈的拱肋按梁单元建模，拱波和拱板模拟成同一种板单元，两者通过刚性约束与拱肋连接，拱肋拱脚处固结，拱波的拱脚处采用铰接，主拱圈划分为 801个节点，708个单元。桥梁几何参数、力学参数根据该桥梁实测数据确定。

为便于采用单片拱肋进行计算，利用单位荷载在各截面横向移动并计算相应位移的方法计算相应截面的横向位移影响线，以此计算各片拱肋的荷载横向分布系数，在此基础上可方便计算各片拱肋的内力值。为使计算模型尽可能真实地反映桥梁的现状，根据现场检测结果，依照《公路桥梁承载能力评定规程》(JTG/TJ21-2011)的规定，采用下式对主拱圈承载能力进行评定。

(1)

图2桥梁计算有限元模型

式中 ：γ0为结构重要性系数；fd为材料强度设计值；αd为结构几何尺寸；Z1为承载能力检算系数；ξc为截面折减系数。

(2) 荷载组合。依据原桥设计规范，考虑以下2种荷载组合：

组合I。恒载+汽车+温差(整体升、降温20 ℃)。

组合II。恒载+挂车。

2.2加固前承载能力评定

加固前主拱肋承载能力检算结果见表1。

表1　加固前主拱肋承载能力检算结果

由表1可见，加固前主拱圈拱脚截面在荷载组合II作用下、跨中截面在荷载组合I和II作用下的最不利荷载组合内力值均已超过结构的承载能力，表明这2个截面的承载能力已不能满足规范要求，需对相关构件采取加固措施。

3　维修加固方案

3.1加固思路

最大限度地利用旧桥结构，加固方案力求经济、合理，结构安全，施工方便。加固的范围主要是：对旧桥裂缝以及破损混凝土进行修补，补强主拱圈、加强横系梁、提高结构整体刚度。通过拱肋粘贴钢板和增大拱脚段截面，增加构件受力面积，相应地提高桥梁结构的承载力。同时解决既有构件因裂缝产生的钢筋锈蚀问题，提高桥梁结构的耐久性。

3.2加固措施

加固措施考虑以增加尽可能小的恒载，争取到尽可能大的承载能力。同时通过合理调整减载和加载的顺序降低截面累计应力，最大限度地提高桥梁的承载能力。

(1) 主拱肋粘贴钢板。主拱圈是双曲拱的主要受力构件，也是本次加固的主要对象。为改善拱顶、拱脚的受力状态，对全桥拱肋下缘及两边肋外侧采用压力注胶粘贴厚度8mm的Q235B钢板。钢板每隔0.4m采用全螺纹螺栓固定于主拱肋上。粘贴钢板前应将原结构表面碳化层凿除、打磨平整，并修补裂缝、修复破损[3]。加固后，在钢板表面涂刷环氧富锌漆做表面防护。粘贴钢板加固方法不增加自重，可适用于要求不增加恒载效应的加固中。另外，这种方法不能增加主拱圈刚度，钢板只能抵抗部分拉应力，从而减小或改善开裂状态，不能改善结构受压应力状态。

(2) 加厚拱脚段截面。主拱圈从拱脚截面到第一根立柱横梁段采用增大截面法进行加固，增大拱脚区段的截面刚度，改善拱脚拱顶2个控制截面的受力状态，提高结构的承载能力。拱脚截面顶部加固厚度为20cm，立柱横梁截面顶部加固厚度为10cm，之间直线渐变。混凝土采用C30微膨胀混凝土。混凝土内设置间距为10cm×10cm钢筋网，纵向受力钢筋植入拱座，且纵、横钢筋与锚固钢筋采用点焊连接。拱脚截面加固见图3。

图3　拱脚截面加固图(单位：cm)

(3) 增大横系梁截面。增大截面法主要是通过增大构件的截面面积或配置钢筋，以提高构件的强度、刚度、稳定性和构件的抗裂性能[4]。为提高主拱圈的整体受力性能，在横系梁两侧各加宽10cm钢筋混凝土截面，上至拱波。将拱肋与横系梁连接处混凝土凿开，露出拱肋主筋，将横梁钢筋与拱肋主筋焊接，再浇筑横梁混凝土。由于构件截面较小且工作空间有限，为确保横梁混凝土施工质量，采用自流平混凝土。横系梁截面加固增大了断面尺寸，增加了钢筋，改善了受力条件。

(4) 修补裂缝。该桥拱波结构受损较为严重，出现多条纵向裂缝。拱波裂缝集中出现在拱顶附近及横隔墙根部对应位置，对主拱圈的整体受力性能产生很大的影响。根据裂缝宽度大小采取不同的处理措施。对于裂缝宽度小于0.15mm时，采用聚合物水泥表面封闭法；对于裂缝宽度大于等于0.15mm时，采用灌注混凝土裂缝修补胶液封闭法[5]。该桥拱波裂缝进行封闭处治，采取灌浆法进行修补。灌浆的主要作用是封闭裂缝、增强结构或构件的整体性，防止混凝土开裂腐蚀钢筋，起到一定的补强作用，恢复混凝土构件的整体性能，同时在拱波和腹拱底部粘贴两层碳纤维布，以提高结构的抗裂性能。碳纤维布强度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固构件自重及截面尺寸，施工时不需要大型设备，在旧桥改造中具有极大的优越性。

(5) 恢复破损混凝土构件。对于全桥混凝土破损、钢筋裸露的部位，将表层混凝土凿除，对钢筋除锈后，浇筑混凝土进行封闭。钢筋断裂的采用等强度钢筋补强后方可浇筑混凝土。

(6) 更换桥面铺装。由于桥梁桥面破坏严重，出现桥面不平整、破损等病害，服务水平急需提升。首先凿除所有原桥面铺装及实腹段填料，重新铺设C40钢纤维混凝土，桥面铺装钢筋采用D8冷轧带肋焊接钢筋网。在桥梁两侧桥台处增设一道异型钢伸缩缝。

4　加固后桥梁承载能力评定

采取了上述加固措施后主拱圈的承载能力见表2。双曲拱桥加固前后承载能力对比分析见图4。

表2　加固后拱肋承载能力计算结果

图4　双曲拱桥加固前后承载能力对比分析图

由图4可知，加固后的主拱圈拱脚和跨中截面的承载能力得到了明显提高，各截面的设计内力值均小于结构抗力值，且具有一定的安全储备。其中拱脚处承载能力的提高幅度最大，拱脚IImin加固后承载能力提升了近4.4倍，表明加厚拱脚段截面加固措施对提高结构的承载能力是切实可行的。L/4和L/2处的承载能力也有1.5～3.5倍左右的提升。综合而言，上述加固措施对改善双曲拱桥的承载能力是合理且有效的。本桥在加固完成后进行了静动载试验，各项测试结果均满足设计要求。桥梁重新投入运营至今已超过1年，结构运行状况良好，未出现新的病害。

加固双曲拱桥要注意以下方面

(1) 加固后的桥梁在日常荷载作用下，原结构以及新增入的结构各部分的力度、刚度和裂缝，应同时符合目前设计规范要求。

(2) 要提升桥梁的活载能力时，原本结构也应在持续恒载应力形态下操作。为此，原本结构的全部恒载和加固后增加的恒载，均由原构件承担。活载由原结构和新增加的构件共同承担。

(3) 采用截面增大法进行旧桥加固时，由于新旧结构的材料性质或混凝土之间的收缩不同，会引起结构内力的重新分布，在新旧材料或新旧混凝土的衔接面上出现较大拉应力，容易出现裂缝而影响到结构的整体性。因此，必要时要进行收缩力的验算。为减小混凝土收缩的不利影响，应尽可能采用性能相近的材料。

5　结论

(1) 通过增大拱脚截面、拱底粘贴钢板、加宽横系梁、裂缝注浆等加固措施，修复桥梁现存病害，提高了主拱圈的承载能力及结构耐久性。静动载试验及恢复通车后观察结果表明，加固效果良好。

(2) 根据双曲拱桥的结构和受力特点，有针对性地采取加固措施，在有效提升承载能力的同时，尽可能小地增加结构自重及改变结构受力体系。

(3) 加固施工应遵循先减载再加固，最后恢复实腹段及桥面的顺序，使加固部件与原构件共同承担桥梁恒载。

[1]周湘君,陈小佳.双曲拱桥上部结构加固方法综述[J].公路交通技术，2005(3):61-65.

[2]胡轩.某公路双曲拱桥加固方法分析[J].四川建材，2014,40(3):160-161.

[3]CECS319-2012 双曲拱桥加固改造技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4]肖航.采用增大截面法加固钢筋混凝土双曲拱桥的参数研究[D].四川：西华大学，2013.

[5]周志祥,贺鹏,赵灿晖.大跨度双曲拱桥维修加固研究[J].重庆交通学院学报，2004(3)：1-4.

收稿日期：2015-07-03

BearingCapacityAnalysisandResearchonReinforcement
TechnologyofaDoubleCurvedArchBridge

Zhu Yuhong1，ZouZhengquan2

(1.ZhejiangAccessibleTransportationConstructionSupervisionConsultingCo.,Ldt.,Quzhou324000,China;

2.ZhejiangJinzhuTransportationConstructionCo.,Ltd.,Hangzhou310051,China)

Abstract：Aiming at the hyperbolic arch bridge with heavy traffic over the years, the main damages were analyzed by field investigation, and the bearing capacity of the bridge was checked by the finite element method.For the main arch ring section lacking of bearing capacity,we could use the method of increasing section, pasting steel plate and increasing cross beam to reinforce., These methods effectively enhanced the bearing capacity of the structure, and improved the durability of the structure, which can provide a guarantee to extend the bridge service life . Through the static and dynamic load test and the observation of the bridge over a year, the operation of the bridge is good,. The feasibility and effectiveness of the method proposed in this paper is proved.

Key words:hyperbolic arch bridge; bridge strengthening; cross section thickness; steel bearing capacity

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.007