在役桁架拱桥结构状况评定与维修加固方案设计

陈国佳

（东台市市政养护管理所，江苏 东台 224215）

0 引言

钢筋混凝土桁架拱桥是继双曲拱桥之后发展起来的一种拱桥结构型式，兼具桁架桥自重轻和拱桥跨越能力强的特点，且施工简便、造价低廉，用于地基较差的桥位处。自20世纪60年代以来，曾一度在全国范围内得到广泛应用。但随着使用年限增加，在复杂荷载作用及环境因素的综合影响下，材料性能逐渐退化，出现了不同程度的病害，对其承载能力和安全运营构成了严重的威胁。因此准确、客观地评定在役桁架拱桥的结构状态，确定其实际承载能力并有针对性地进行维修加固，对改善桥梁的使用状况就显得尤为重要。本文以某桁架拱桥的结构状况检测和维修加固工程为背景，阐述了桥梁结构状态评定的主要内容与过程，结合桥梁结构的实际病害情况与承载力评定结果，明确了维修加固的目标和加固过程中的结构受力要求，提出了针对性的加固方案。

1 工程概况

某桁架拱桥建造于1987年，与河道正交，是一座东西向布置的桥梁，孔跨布置为（15.3+17.3+15.3）m，桥面总宽5.0 m，桥面铺装为钢筋混凝土结构。设计荷载等级为汽-10级，桥梁所处环境为Ⅱ类环境，如图1所示。

图1 某桁架拱桥立面图

该桥建成通车至今已运营40多年，随着桥梁服役时间的增长，各个构件出现了不同程度的材料退化和结构病害。为全面掌握该桥的缺陷部位和发展趋势、损伤的性质，确定结构的技术状况等级，为后期维修管养提供依据，需要对该桥进行结构状态评定。

2 桥梁结构状态评估

2.1 桥梁外观检查

为了解桥梁的技术状况，对该桥桥面系、上部结构、下部结构进行外观检查。检查表明：该桥桥面混凝土铺装存在大面积的破损，局部有非贯通横向裂缝；东、西侧桥头均出现轻微沉降，桥头伸缩缝接缝处铺装均出现破损。泄水孔部分堵塞、缺损。北侧部分护栏存在混凝土剥落、露筋的现象。上部结构病害较为严重，全桥各跨桁架拱片及横向支撑杆普遍存在锈胀露筋、混凝土剥落等病害，微弯板出现开裂现象。对于下部结构，0#桥台台身侧墙结构局部剥落。1#、2#桥墩拱座被船撞击，拱座混凝土局部剥落。剥离的总面积超过整个拱座表面积的3%，如图2、图3所示。

图2 拱片锈胀破损严重

由外观检查结果可知，由于年久失修，该桁架拱桥各个构件均存在不同程度的病害，特别是上部结构桁架拱片锈胀损坏严重，对桥梁的承载能力和安全运营造成了很大的隐患。综上，该桥的技术状况评定等级为D级，为“不合格状态”。

2.2 桥梁结构状态参数检测

2.2.1 混凝土强度检测

采用回弹仪对该桥主要构件的混凝土强度进行检测，选取12个主体构件，共200个测点进行检测。根据现场检测结果，该次抽检的构件混凝土强度推定值在21.3～26.5 MPa，部分构件混凝土存在材质强度较低的情况。

2.2.2 钢筋锈蚀性状检测

采用钢筋锈蚀仪检测该桥构件中钢筋锈蚀性状。对全桥选取了两片拱肋构件，共计187个测点进行钢筋锈蚀点位检测。根据检测情况，拱肋构件有锈蚀活动性，个别测点的电位水平高于-300 mV，锈蚀可能性为90%，已明显开始退化。

2.2.3 钢筋保护层厚度检测

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）规定，该桥所处环境属于Ⅱ类环境，主筋保护层厚度均不得低于40 mm，箍筋保护层厚度不得低于25 mm。选取13个构件，共计200个测点，采用钢筋检测仪对钢筋混凝土保护层厚度进行测量，在抽检的13个构件中，主筋的保护层厚度平均值为27.9～34.1 mm，部分构件混凝土保护层厚度对结构钢筋耐久性有影响。

2.2.4 混凝土碳化深度检测

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选取9个主要受力构件，共20个测区，采用在混凝土新鲜断面观察酸碱指示剂反映厚度的方法测定混凝土碳化状况。检测结果表明，各构件的实测碳化深度均小于保护层厚度最小值，表明构件的钢筋目前不会由于混凝土的碳化而发生全面锈蚀。

2.2.5 混凝土裂缝检测

通过目视检查并结合裂缝宽度检测仪对主拱肋裂缝的分度、长度、宽度等进行检测，并对裂缝的分布和开展情况进行统计分析。以第二跨横向第二片拱片为例，由图4可知，拱肋裂缝主要分布在拱肋上弦杆的位置。

图4 第二跨横向第二片拱片主要裂缝分布情况

2.3 桥梁承载能力验算

为了分析结构的受力特点，并为荷载试验提供理论依据，采用MIDAS/Civil建立空间杆系模型对该桥进行计算，并选取三个典型控制断面对该桥进行承载能力验算，各项验算系数根据各结构构件物理力学参数的检测结果进行取值，荷载按照原设计荷载等级汽-10级进行分析，如图5所示。

图5 某桁架拱桥计算模型及验算断面示意图

经计算，在承载能力极限状态下，主体结构能满足原设计汽-10级荷载等级的安全承载要求，但部分破损严重的断面，如第二跨横向第三拱片跨中位置断面，其抗弯不能满足承载能力要求，见表1。

表1 各控制断面抗弯强度计算结果

2.4 荷载试验

荷载试验主要包括静载试验和动载试验两部分。

静载试验是通过结构内力状态的理论计算与实测结果的对比分析，对桥梁工作状态和承载能力进行检验。根据汽-10级荷载作用下各控制截面的挠度和弯矩，选取中拱跨中截面和中拱拱梁结合处截面为该次静载试验的控制截面，如图6所示。

图6 静载试验工况测试断面选取示意图

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）规定，结合该桥结构特点，选取跨中拱肋最大正弯矩工况和拱腿顶主梁最大负弯矩工况为该次静载试验的两个试验工况。考虑实际加载车辆特性，经计算，工况Ⅰ、Ⅱ分别选用一辆100 kN和一辆150 kN的两轴重车进行加载，各工况分两级进行加载。工况Ⅰ和工况Ⅱ的车辆加载布置如图7所示。

实际加载时，当加载至工况Ⅰ第二级时，挠度和应变校验系数均出现了超过1的现象，卸载后的残余应变也较大。表2为各加载工况下拱肋应变和校验系数。实测数据对比表明：主拱跨中挠度校验系数在1.06～1.50，跨中拱肋挠度校验系数大多在1.07～1.72；应变测点残余应变系数超过20%，说明该桥不能处于完全弹性工作阶段。依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》规定，该桥承载能力不能满足原设计汽-10级荷载的使用要求。

图7 静载试验加载工况Ⅰ、Ⅱ分级加载示意图（单位：cm）

表2 跨中拱肋应变及校验系数

动载试验的内容主要为测量移动车辆作用下主桥结构应力的动态响应和冲击系数。试验采用一辆10 t重车以10 km/h的速度驶过桥面，通过预设在下弦杆跨中位置处的动应变计记录该桥的动应变时程信号。通过动应变时程曲线分析，得到主拱肋跨中截面应变测点实测应变冲击系数为0.18，如图8所示。

图8 动载试验动应变时程曲线

3 桥梁加固维修方案设计

通过结构状态评估可知，该桁架拱桥主拱肋混凝土缺损严重，结构的纵、横向刚度均存在一定程度上退化，不能满足原设计荷载承载力要求。为保证桥梁的安全运营，改善使用状况，提高桥梁的承载力和通行能力，最大程度地延长其使用寿命，需要对该桥进行维修加固。

3.1 总体维修加固方案

该次加固工程选取U形钢板作为主要加固材料进行下弦主拱圈抗压、抗弯加固，经济性相对较好，且施工工艺简单；对同时承担较大轴力和剪力的拱脚直腹杆采用增大截面法进行加固；对横向支撑杆采用外加角钢支撑，以提高桥梁结构整体性，如图9所示。

图9 桁架拱桥总体加固示意图

对存在混凝土破损剥落、露筋锈蚀等病害的构件，加固前应先将构件表面打磨平整，除去梁体表面浮尘、松散混凝土等，凿除破损位置表层劣质混凝土，采用树脂型修补砂浆和改性细石混凝土对破损处进行修补，采用塞柏斯（XYPEX）材料对裂缝进行封闭修补，并对外露锈蚀钢筋进行除锈处理。

3.2 下弦杆及实腹段加固

桁架拱桥下弦杆主要受压，同时承受较大的弯矩，对其下缘及侧面粘贴8 mm厚的U形钢板，能够较好地控制下弦杆混凝土应力，同时提高其承载能力。施工时，应将混凝土表面清理干净，对转角粘贴处进行倒角处理并打磨成圆弧状，再粘贴钢板。U形钢板粘贴完成后，在其两侧安装M12螺栓和钢压条，对钢板进行锚固，如图10所示。

图10 下弦杆及跨中实腹段加固

3.3 拱脚直腹杆加固

拱脚直腹杆采用对其侧面外包15 cm厚钢筋混凝土增大截面的方法进行加固，可同时有效提高其承载力和刚度，对桥梁整体刚度提高十分有利。

施工前先清除拱片表面涂装，凿除表面风化混凝土；随后对拱背混凝土进行凿毛，表面凹凸不小于6 mm，露出粗骨料，对锈蚀钢筋尚需进行除锈，随后按要求钻孔植筋，绑扎钢筋网，支模现浇外包混凝土，如图11所示。在施工中，应采取添加微膨胀剂等措施，降低混凝土的收缩，保证混凝土密实。

图11 拱脚直腹杆加固

3.4 横向支撑杆加固

横向支撑杆采用外加角钢加固支撑的方式进行维修，能够有效增强各拱片间的横向联系，提高桥梁的整体横向刚度，从而避免单个拱片承受较大荷载，如图12所示。

图12 拱肋横向支撑杆加固立面示意图

3.5 桥面系

全桥桥面铺装凿毛20 mm，铺设改性环氧树脂薄层，厚为20 mm；墩台断缝处凿开增设弹性体伸缩缝；疏通桥面泄水孔，并增设直径75 mm、长度500 mm的UPVC管，以增强排水能力；桥台台背凿除重筑，并增设弹性体伸缩缝；桥面护栏破损处采用环氧砂浆修补并涂刷涂料，桥头侧墙增设简易人行护栏。

4 结语

通过对该桁架拱桥进行的结构状态评估和维修加固方案设计，得到如下结论：

（1）考虑到现役桁架拱桥普遍存在建造时间早，使用年限长，且在设计、施工等方面都有所欠缺的特点，对该类桥梁的结构总体状态进行评估时，应采用包括荷载试验在内的多种手段，充分了解桥梁的基本状况、病害情况及工作性能，并建立桥梁资料卡片，为实现对桥梁结构的科学管理、养护、维修及运营决策，确保运营安全提供依据。

（2）对桁架拱桥进行加固和改造处理，应充分考虑各构件的受力特点，基于病害的发展状况，采用相应的材料和有针对性的加固方法，从而在保证运营安全、提高承载能力、延长使用寿命的前提下，兼备较好的经济效益与社会效益。