新增拱肋法在既有刚架拱桥加固中的应用

简伟泉，刘 杰，郑晓华

（佛山市南海区道路建设管理处，广东佛山528200）

我国在20世纪80年代起兴建了许多钢筋混凝土刚架拱桥，这是在我国传统的双曲拱桥、桁架拱桥等桥型的建设经验基础上，结合斜腿刚构桥的特点发展演变而来的一种桥型。刚架拱桥属于有推力的高次超静定结构，具有构件少、质量轻、施工简便、造价低、造型美观等优点，可在软土地基上修建，被广泛应用于跨径25~70 m的桥梁［1］。

随着近年来我国公路交通量迅猛增加，公路桥梁负荷日益加重。早期建造的刚架拱桥不断老化、破损，受原设计荷载标准的限制，也普遍存在承载力不足、病害加剧等问题，其最突出表现为既有刚架拱桥整体性较差，横向稳定性不够，结构易产生微弯板断裂、穿孔、塌陷，桥面大量开裂、主拱圈拱肋开裂等病害，严重影响了正常的交通运输。国内研究人员对既有刚架拱桥加固进行大量研究，取得了良好的加固效果［2-5］。本文结合广东省国道G321线上的文子冲桥，针对该旧桥的典型病害，采取横向新增5片拱肋、重新整体现浇桥面板和桥面铺装等措施对桥梁进行加固，并采用反吊施工方法进行施工，节约了加固成本并取得了良好的加固效果，为同类型既有刚架拱桥的加固维修提供参考。

1 桥梁概况

文子冲桥位于广东省国道G321线上，建成于1997年，桥跨组合为1×40 m（净跨）刚架拱，全长66.90 m。刚架拱桥净跨径l0=40 m，净矢高f0=5 m，矢跨比f0/l0=1/8，桥面总宽19.0 m，净宽18.0 m，由6片宽度为0.35 m的预制刚架拱肋组成，如图1所示。桥面板采用预制安装的肋腋板和悬臂板拼装而成，填平层和桥面铺装层为现浇混凝土结构。下部结构桥台为重力式桥台，群桩基础，桩基础均为24根直径1.0 m的钻孔灌注桩。该桥设计荷载为汽-20级，验算荷载为挂-100。

图1 刚架拱桥立面图（单位：cm）

2 加固前病害及原因分析

2.1 加固前病害介绍

根据该桥加固前检测报告，桥梁技术状况等级被评定为4类。主要病害为：1）全桥6片拱肋均出现多条贯穿底板的L型或U型裂缝，裂缝宽度介于0.04~0.55 mm之间，裂缝长度介于17~130 cm之间，部分裂缝宽度超过规定限值；2）全桥横隔板均出现不同程度的贯穿梁底的竖向裂缝，宽度介于0.08~0.27 mm之间；3）全桥桥面板均出现不同程度的网状或纵向裂缝，部分裂缝贯穿构件截面，出现渗水结晶现象，裂缝宽度介于0.07~0.62 mm之间。典型病害照片如图2所示。

图2 桥梁加固前典型病害图

2.2 病害原因分析

1）既有旧刚架拱桥的设计采用的是容许应力法计算结构的承载能力，将其简化为弹性支撑连续梁的平面杆单元模型，计算结构在各个荷载作用下的内力。计算时未考虑结构的横向联系，这要求结构要有足够大的横向刚度，而实际上由桥面铺装、预制肋腋板及横系梁组成的横向联系刚度相对较弱，与计算模型有一定差距，这就导致部分构件或部位内力计算结果与实际受力情况有差异。2）拱肋实腹段跨中部分的裂缝，主要是由于跨中挠度较大，导致了跨中下缘形成裂缝。横系梁的裂缝形态多是竖向的断裂裂缝，主要是预制肋腋板的侧向水平推力作用使横系梁受拉所致。

3 桥梁加固设计及施工方法

3.1 桥梁加固设计

根据本桥结构及病害特点，结合桥位地形、造价、水文以及通航要求等多方面因素，并考虑大桥桥墩、桥台质量状况基本良好，确保在较少破坏原有桥梁上部结构的情况下，提高桥梁的承载能力和整体受力性能。采用有限元分析软件对桥梁加固前后的受力性能进行分析，计算各种荷载组合下结构关键部位的受力状态，计算结果表明，该桥采用新增拱肋和现浇整体式桥面板加固达到提高桥梁承载能力和受力性能的作用。具体加固设计如图3所示。

（1）在原有6片拱肋中间新增5片拱片，高度、厚度与旧拱片相同，主筋较原拱片配筋增加约65%，新增拱片截面上下缘钢筋与旧横系梁交叉时，凿除旧横系梁外缘保护层后穿过横系梁，拱片其他纵向钢筋与旧横系梁交叉时，通过对旧桥横系梁进行钻孔后穿过钢筋，并采用植筋胶填充，新浇拱片混凝土外包原横系梁。新增拱片在拱座处用钻孔植筋的方式和旧拱座连接在一起，并在拱脚处与新增拱片主筋焊接。

（2）凿除原桥面铺装层，采用C40防水混凝土重新浇注20 cm厚整体现浇桥面板，并重新浇注10 cm厚钢筋混凝土桥面铺装。

图3 桥梁加固前后横断面对比图

3.2 施工方法

考虑加固拱桥对拱肋安装标高精度要求较高，该桥为跨河涌桥梁，在河床上布置满堂支架容易下沉变形影响成桥质量，同时由于桥梁加固施工在汛期进行，若采用满堂支架施工大大降低河涌的防汛能力，容易引起支架垮塌，故本拱桥加固采用反吊施工方法，利用原有构件作为受力支撑。具体施工步骤为：1）拆除原桥栏杆、桥面铺装层、悬臂板、微弯板及其上现浇混凝土层，上部结构仅保留主拱腿、实腹段、上弦杆与横梁；2）在旧拱肋的弦杆和实腹段上，利用原有构件顶面支撑，按2.5 m的间距架设双槽钢，用精轧螺纹钢反吊工字钢，用作施工平台及搭满堂支架；3）新增拱肋在拱座处用钻孔植筋的方式和旧拱座连接；4）在拱脚处将新增拱肋主筋与拱座植筋以及拱腿和斜撑主筋焊接，然后现浇新增拱肋并加固旧拱片；5）现浇20 cm厚整体现浇桥面板，并重新浇注10 cm厚钢筋混凝土桥面铺装以及其他桥面附属工程安装。桥梁加固后效果见图4。

图4 桥梁加固后效果图

3.3 施工平台受力验算

由于国道对车辆通行要求的特殊性，无法左、右幅同时全封闭施工，故只能采用左幅和右幅分离施工的方式进行，为确保反吊施工平台的安全性，选取右幅采用有限元软件建立模型模拟施工时工作平台的各种受力情况，见图5。计算结果见表1，工字钢最大拉应力为19.88 MPa，最大压应力为-18.94 MPa，旧拱肋最大拉应力为2.94 MPa，最大压应力为-9.02 MPa，原有旧拱肋能够满足新增拱肋现浇混凝土和由工字钢搭建的支架施工平台重量，该施工方案技术可行。

表1 施工过程中拱肋和工字钢受力情况

4 结论

针对该桥拱肋、横系梁及桥面板等病害，采用在原桥6片拱肋的基础上，横向新增5片拱肋、重新整体现浇桥面板和桥面铺装等措施提高该桥的横向联系和整体性能，从而达到提高桥梁的承载能力的目的，加固后实际结构有限元软件计算结果表明，理论可行。通过此次加固实例表明，本文所介绍的加固反吊施工方法切实可行，为同类既有刚架拱桥桥梁的维修和加固提供参考和借鉴。

［1］邵旭东.桥梁工程［M］.北京:人民交通出版社,2004.

［2］沈跃,王润建,孙晓红.新增拱肋法在刚架拱桥加固中的应用［J］.公路交通科技（应用技术版）,2015（12）:3-4.

［3］戴晓栋.基于梁格理论的刚架拱桥分析建模方法及应用研究［J］.公路交通科技（应用技术版）,2014（12）:197-200.

［4］段与坤.粘贴钢板和碳纤维加固刚架拱桥的应用研究［J］.公路交通科技（应用技术版）,2014（9）:4-7.

［5］张浩.刚架拱桥病害分析及体外预应力加固探索［D］.重庆:重庆交通大学,2012.

［6］刘凤娟.混凝土刚架拱桥加护状况评定及加固方法研究［D］.重庆:重庆交通大学,2013.