荷塘西江大桥下承式体外系杆拱拱肋加固受力分析

顾长青

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司 广州 510507)

江门市荷塘西江大桥为跨越西江的一座下承式体外系杆拱桥。主桥上部为3跨下承式体外系杆拱。拱肋的拱顶段采用单肢等宽箱形截面，拱脚段采用双肢等宽工字形截面，拱肋由单肢变化为双肢时，设计上增设了一个过渡段，即单肢变宽箱形截面。

该桥于1999年8月建成通车，至今已经经过了近16年的运营使用。特别是近年来，随着江门市经济的发展，过往车辆数量及重量不断激增，桥梁各构件出现不同程度的损伤。经检测，该桥技术状况等级评定为四类[1]，需对大桥进行加固改造。

1 拱肋主要病害现状

1) 拱脚面层混凝土出现大面积脱落破损，两侧拱肋近拱脚处上缘及侧面均出现不同程度的混凝土开裂，下缘则出现边角缺失、主筋外露并锈蚀现象。

2) 拱肋下缘普遍存在大面积的露筋锈蚀、混凝土破损、胀裂等现象。

2 拱肋结构计算分析

桥梁维修加固工程，其性质与新桥设计有很大不同，只有通过反复和大量的分析计算，进而了解结构目前的力学状态，找到病害的根本原因，方能达到加固设计的目的，因此，拱肋实际结构的模拟是关键。

为了评价荷塘西江拱桥拱肋的运营现状，选以下3个工况对该桥进行检算：原结构复算、考虑损伤折减后的计算、提高荷载等级计算。

2.1 计算模型

全桥采用3D空间杆系模型，考虑引桥对主桥边跨的受力影响，建立40 m+(3×110)m+50 m 5跨模型。全桥共20 305个节点、20 287个单元。见图1。

图1 结构受力分析计算模型

主桥共分为3孔，其中1号孔为潮连岸侧，3号孔为荷塘岸侧。

2.2 原结构复算

1) 按照原设计荷载原规范进行计算，选取3孔拱肋控制截面，按JTJ 023-1985 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(以下简称《85规范》)验算。

根据《85规范》规定，拱桥桥跨大于70 m，冲击系数取为0，其中L/4与L/8处截面负弯矩远大于正弯矩，且拱肋截面顶板配筋较底板弱，因此，这2处截面由负弯矩控制，承载力验算见表1。

由表1可见，拱肋截面均满足承载力验算要求，拱脚截面与拱顶截面安全储备较小，其中2号拱脚安全系数为1.01，1号拱顶截面安全系数为1.01。

表1 原结构原荷载下拱肋主要截面承载力验算表

2) 考虑冲击系数后验算。大量现有中下承式拱桥表明：中下承式拱桥动力放大系数较大，如车速为25 km/h时，新龙怮大桥动力系数为1.37；在三山西大桥跨中刹车时，动力系数为1.36。

故本桥拟在原荷载基础上考虑1.2的汽车动力系数，此工况下拱肋承载力验算见表2。

表2 考虑1.2动力系数后拱肋主要截面承载力验算表

由表2可见，若考虑1.2的动力系数，拱脚截面与拱顶截面不能满足承载力要求，其中3号拱拱脚安全系数为0.89，2号拱拱顶截面安全系数为0.78。其余截面的承载能力富余相较未计动力系数的工况均有所减弱。

2.3 考虑损伤情况下的结构计算

由于篇幅所限仅示出各参数取值结果，根据《公路桥梁承载能力检测评定规则》[2]及桥梁检测报告[3]确定拱肋验算修正系数的方法，经计算确定拱肋承载力恶化状况评定标度为E=1.74，环境条件取为干湿交替、不冻、无侵蚀性介质，据此评定值确定承载能力恶化系数ξe=0.035。经计算确定拱肋截面损伤状况评定标度为2.3，截面折减系数ξc=0.945，钢筋截面折减系数ξs=0.93。在考虑结构损伤的情况下，拱肋主要截面承载力验算结果见表3。

表3 损伤后拱肋主要截面承载力验算表

由表3可见，考虑损伤后，拱脚与拱顶截面承载力明显不足，其中3号拱脚截面承载力安全系数为0.46，1号拱顶截面承载力安全系数为0.8，其余截面的承载能力富余也相对原荷载作用工况有所减弱。

2.4 提高荷载等级验算(公路-I级)

提高荷载等级[4]后，计算结果见表4(轴力压为负，弯矩下部受拉为正；拱脚及L/8跨径处数值为单肢工型拱肋的数值，其他部分数值为单肢箱型拱肋的数值。

表4 提高荷载等级后拱肋主要截面承载力验算表

由表4可见，提高荷载等级后，拱脚、拱顶及3L/8处的承载能力均不能满足要求，其中3号拱拱脚截面承载力安全系数仅为0.5，2号拱拱顶截面承载力安全系数仅为0.6；另1号拱圈与2号拱圈L/4承载力也不满足要求，说明提高荷载等级后拱肋承载能力大幅下降。

2.5 主拱拱肋受力分析

1) 该桥原设计荷载为汽车-20级，挂-100级，在组合I、组合II、组合III荷载作用包络下，该桥的拱肋截面承载力均满足要求，但拱脚截面与拱顶截面安全储备小。

2) 《85规范》中对于此跨度拱桥是不考虑动力系数的，若考虑动力系数进行拱肋截面验算，拱顶截面与拱脚截面均不满足承载能力要求，相比原荷载设计工况下最不利拱肋截面安全系数下降22%。

3) 考虑损伤折减的情况，拱脚截面与拱顶截面不能满足承载能力要求，相比原荷载设计工况下最不利拱肋截面安全系数下降54%。

4) 提高荷载等级后，拱脚截面、3L/8截面、拱顶截面及部分L/4截面不能满足承载能力要求，其中最不利拱肋截面安全系数相对于原荷载设计工况下降50%。

结论：原设计拱脚截面、拱圈部分截面容易发生破坏，应加强养护维修加固。

3 加固设计方案

1) 对拱肋裂缝进行封闭，对拱肋底板下缘破损露筋部位进行钢筋除锈后再对混凝土表面修补。

2) 对拱肋截面承载能力相对紧张的部位进行加固，以提高结构承载力，增强结构耐久性。结合受力特征，加固部位拟定为拱肋3L/8-拱顶下缘、L/4附近上缘及拱脚区段。

其中：①拱脚加固，拱脚由于与墩帽固结，为增强联系，拟采取增大截面法进行加固，以便与墩帽联结，提高整体性；②拱肋加固，粘贴钢板加固。

4 拱肋加固计算

加固后桥梁验算采用JTG/T J22-2008 《公路桥梁加固设计规范》[5]进行增大截面粘贴钢板的截面加固验算。

4.1 加固后拱圈内力计算

加固后拱圈内力计算情况见图2、图3。

图2 承载能力验算弯矩(组合I，II，III包络)

图3 正常使用验算弯矩(组合I，II，III包络)

4.2 加固后拱肋承载力计算

以2号拱圈3L/8处截面粘贴钢板为计算算例,拱圈截面验算结果汇总见表5。

表5 加固后拱肋主要截面承载力验算表

由于L/8处拱肋截面未做加固处理，故表5中未列出该处截面验算值。按上述措施加固，主拱肋加固后极限承载力基本满足规范要求。

5 结语

城市桥梁中拱桥分布较为广泛，特别是近年来，随着各地经济的发展，过往车辆数量及重量激增，由于使用年限较长，大部分构件均出现一定程度的损伤，其中拱脚、拱肋的病害尤为突出，考虑到新、旧规范对荷载(动力系数)要求有所不同，因此，在对该结构受力分析时应予以充分考虑，宜对新旧规范做受力分析对比，从而提出更有针对性的加固方案。采取增大截面法的加固方案对于提高拱肋承载力较为有效，在设计加固后拱桥除能满足运营荷载的使用要求外，还有一定的安全储备。