钢筋混凝土拱桥复合式加固及加固前后性能分析

方 彬， 程雪梅

(1.四川交大工程检测咨询有限公司，四川成都 610031； 2.金堂三溪中学，四川成都 610405)

在我国公路桥梁中，钢筋混凝土拱桥在大、中跨径桥梁中占比较大。从20世纪60年代开始，钢筋混凝土拱桥得到飞速发展，然而随着交通运输量逐年增大，且加上自身材料性能退化和桥梁逐年病害的增加等因素，旧桥的承载能力已不能满足当前交通的需要。据统计，截止到2015年底，我国在已建成的约77.92万座公路桥梁中，有近76 483座桥梁被评定为危桥，约4成已使用20多年，技术等级低的带病桥梁占3成。若对存在较严重病害甚至隐藏着巨大安全隐患的桥梁进行拆除、重建，不仅资金耗费巨大，而且时间上也不允许。为使桥梁达到或者适当延长其使年限，就需对旧桥进行全面的检测，对其承载力进行科学的评估，并对存在缺陷和承载力不足的桥梁进行有效的维修加固措施。本文以一座钢筋混凝土拱桥为例，介绍了钢筋混凝土拱桥的承载能力评估方法以及复合式加固措施,并对该桥加固前后静力和动力性能作对比分析,评价桥梁结构的加固效果[1]。

1 复合式加固方法

单一的加固方法主要有桥面补强层加固法、配筋和增大截面加固法、粘贴加固法、体外预应力加固法、改变结构受力体系加固法、减轻拱上结构重量加固法、拱圈增设套拱加固法。

复合式加固方法就是同时采用两种或多种单一加固方法增强结构某一方面或几方面的性能，提高结构的承载能力性能。进行综合加固设计时，可以几种方法并重，也可以一种方法为主，其他方法为辅，关键是利用各种加固方法的互补性，发挥协同作用优势，达到安全、耐久、适用、环保、经济和美观的目的。

2 某座钢筋混凝土拱桥的评定与加固措施

2.1 桥梁概况

某钢筋混凝土拱桥位于四川省达州市渠县境内，跨越渠江，连接广安至大竹，该桥始建于1983年，1986年正式建成使用。桥跨组合为6×35m+6×85m+2×35m，35m桥跨为双曲拱，85m桥跨为箱形板拱，桥梁全长865.4m。

35m桥跨为双曲拱，矢跨比为1/5，拱轴系数2.814，85m钢筋混凝土箱形板拱，矢跨比为1/6，拱轴系数2.920。

0#台、3#墩、6#～12#墩、14#台采用埋置式重力式墩台，其余桥墩采用钢筋混凝土桩基础。

桥面横向布置为双向车道，横向宽度为2.2m人行道+9m机动车道+2.2m，桥面机动车道铺装采用沥青混凝土。

原桥设计荷载：汽车—20级，挂车—100，人群荷载：3.5kN/m2。桥梁结构立面布置图如图1所示。

图1 桥梁结构立面布置(单位：cm)

2.2 桥梁加固前基于多种评定方法评定桥梁承载能力的评定结果

采用基于外观检测、理论计算与外观检测结果相结合以及荷载试验的承载能力评估分析结果三种评定方法对桥梁加固前的承载能力进行评估分析[2]，结果表明：外观检测评定表明桥梁的技术状况评定等级为4类[3]，理论计算评定表明桥梁结构拱脚附近计算截面结构安全储备系数略大于1，安全储备较低，荷载试验评定表明桥梁结构处于弹性工作状态，满足设计荷载的正常使用要求，但安全储备较低。

综上所述，目前桥跨主体结构虽能满足设计荷载的正常使用要求，但考虑桥跨结构自建成至检测时28年来从未进行过大修，且受近些年地方经济快速发展的影响，其交通量大，超载超限车辆多，不能满足桥梁结构的长期安全使用要求，建议对全桥进行适当维修和加固[4]。

3 维修加固措施

根据既有桥梁结构自身特点、环境、经济、交通等因素，为利用各种加固方法的互补性，发挥协同作用优势，发挥结构加固的综合效益，确定采用发挥协同工作的复合式加固法对该桥进行加固维修处治。具体采用“配筋加固和增大截面加固法”“减轻拱上结构重量加固法”与“粘贴钢板加固法”相结合的复合式加固法。

按04版公路—Ⅱ级荷载等级标准进行维修加固处治，复合式维修加固处治主要措施如下：

配筋加固和增大截面加固法：85m跨主拱圈第一腹拱对应范围拱脚段的拱背采用外包15cm厚C40钢筋混凝土进行补强，增大截面高度，提高其承载能力安全富余；加固截面横断面图见图2。35m跨拱肋沿拱圈通长在每片拱肋下缘U型外包15cm厚C40 混凝土，在拱脚第一腹拱对应范围的拱背外包15cm厚C40混凝土；在每道横系梁或横隔板下缘U型外包C40混凝土；加固截面横断面图见图3。

图2 85m跨箱形板拱加固横断面(单位：cm)

图3 35m跨双曲拱加固横断面(单位：cm)

减轻拱上结构重量加固法：采用LC25轻质陶粒混凝土(密度等级1 800kg/m3)对全桥拱腔内填料进行换填。

粘贴钢板加固法：在各腹拱下缘压力注胶粘贴带状钢板对其进行加固补强，主桥腹拱钢板厚8mm，引桥腹拱钢板厚6mm[5]。

上述维修加固措施有效的针对桥梁承载能力偏弱的特点，对主拱圈、腹拱圈等主要承重构件减轻拱上建筑的恒荷载，对其主要承重构件进行补强、加固，提高结构的承载能力。

4 桥梁加固前后受力性能对比分析

验证桥梁加固设计的合理性和复合式加固改造效果，通过荷载试验来验证是一种必要有效的手段之一。静载试验测试内容包括应变和挠度测试，分别测试特征截面的应变和竖向位移。动载试验测试内容包括自振特性及冲击性能测试，自振特性包括横竖向频率值及对应的阻尼比，冲击性能包括无障碍行车及有障碍行车冲击系数[6-7]。加固前荷载试验等级为“汽车—20级，挂车—100，人群荷载：3.5kN/m2”，加固后荷载试验等级为“公路—Ⅱ级，人群荷载：3.5kN/m2”。

4.1 加固前后结构强度对比分析

主拱圈截面加固前后应变对比分析见表1，由表可知，桥跨结构主拱圈在加固后各实测应变均减小，减小幅度介于6.9 %～70.2 %之间。结果表明主拱圈、桥面系加固效果较好，加固结构对主拱受力起到了一定的分担作用，复合式加固效果显著[8-10]。

4.2 加固前后结构刚度对比分析

主拱圈截面加固前后挠度对比分析见表2，由表可知，主拱圈在加固后实测挠度减小幅度介于-43.0 %～363.0 %之间。结果表明主拱圈、桥面系的加固改变了结构的刚度分配，且加固前后加载车辆重量和位置均有变化，从整体上看，主拱圈、桥面系加固改造效果较好，增强了结构的整体刚度，复合式加固效果显著。

4.3 加固前后自振特性对比分析

加固前后桥跨结构自振频率和阻尼比的对比分析见表3，由表可知，桥跨结构加固后的竖向、横向实测自振频率比加固前均有所提高，提高幅度介于18.8 %～41.7 %之间。表明主拱圈、桥面系加固改造显著提高了桥跨结构竖向、横向刚度。

加固后桥跨结构的阻尼比普遍大于加固前的阻尼比，表明加固改造后增强了桥跨结构的耗能能力。

4.4 加固前后冲击性能对比分析

加固前后桥跨结构冲击性能的对比分析见表4、图4、图5，由图表可知，加固后无障碍行车和有障碍行车冲击系数比加固前均有所减小。表明桥面系的加固提高了桥面平顺度，增强了结构整体性，提高了结构抗冲击性能，减小了对结构的冲击损伤作用。

表1 主拱圈截面加固前后应变对比分析

注：实测值比较以加固前数据为基准；差异项中应变增大为正，减小为负。

5 结论

(1)采用多种承载能力评估方法对桥梁结构的承载能力进行了科学、合理的评估分析，为下一步的维修加固提供了重要的技术依据。

(2)针对桥梁结构承载能力偏弱的特点，该桥采用了“配筋加固和增大截面加固法”“减轻拱上结构重量加固法”与“粘贴钢板加固法”相结合的复合式加固法进行了加固，并对缺损的部位进行了维修补强。

(3)加固后的桥梁结构的静载受力性能得到明显提高，有效的提高桥梁结构的承载能力，表明了复合式加固对主拱圈受力起到了一定的分担作用，复合式加固效果显著。

(4)加固后桥梁结构的动力性能良好，各项测试指标均有明显的改善，表明复合式加固增强了桥跨结构的耗能能力，增强了结构整体性，提高了结构抗冲击性能，减小了对结构的冲击损伤作用。

表2 主拱圈截面加固前后挠度对比分析

注：实测值比较以加固前数据为基准；差异项中应变增大为正，减小为负，以下同。

表3 加固前后桥跨结构自振频率和阻尼比的对比分析

表4 加固前后桥跨结构冲击性能的对比分析

图4 加固前后桥跨结构无障碍行车冲击系数对比

图5 加固前后桥跨结构有障碍行车冲击系数对比

(5) 该桥采用的复合式加固措施有效，方法得当，加固效果显著，可供类似桥梁结构的加固参考、借鉴，可大范围推广运用。