刚架拱桥的加固技术研究与应用

黄河 梅继洲

基于刚架拱桥的结构特点和传力机理，在分析刚架拱桥典型病害的基础上总结了常用的加固技术，并针对某在役刚架拱桥既有病害问题，提出针对性的加固补强诊治方案并建立加固效果评价机制。评价结果表明，该加固方案具有较强的实操性及可靠性，以期为相似在役桥梁的病害补强维修加固提供技术支持。

刚架拱桥是结合双曲拱、桁架拱、斜腿刚构等桥型演变而来的高次超静定结构，由于其具有桥态优美、施工周期短、经济性佳等优点而在我国20世纪80～90年代受到广大设计者的青睐。然而，当时的设计理念过于追求经济效益，构件尺寸普遍偏小，再受到当时施工条件及工艺的限制，造成刚架拱桥结构本身提载空间较小。长时间在环境与超载的耦合作用下，部分在役刚架拱桥已存在不同程度影响到正常使用状态的结构损伤，急需加固补强。

本文笔者结合多年设计经验给出了在役刚架拱桥的常用加固技术，并通过某在役刚架拱桥为例阐释其典型病害问题并据此提出针对性的加固维修方案，旨在为今后同类型桥梁的维修加固设计提供借鉴和参考。

一、刚架拱常用加固技术

1.拱肋补强

受困于当时的设计理念和过度追求经济性的考虑，拱肋构造尺寸偏小，其作为刚架拱的主要承力构件，在日益增长的车辆荷载作用下极易发生径向开裂，进而导致刚架拱承载力富裕度小的劣势。

拱肋补强的措施主要是通过增大拱肋截面尺寸或者粘贴钢板以提高拱肋承载力。前者主要是配合植筋技术在拱肋底面和侧面外包混凝土，后者则需要依靠有效的锚固措施确保既有混凝土和粘贴钢板同时协同变形，共同承担上部荷载。

2.横向联系加固

刚架拱的横向联系主要分为基于弦杆、实腹段的横系梁和拱腿、斜撑的横系梁两类。前者由于桥梁长期服役导致整体刚度损耗易造成中间工作区发生自上而下的开裂，其中实腹段的横系梁病害情况尤为严重，甚至出现断裂等影响桥梁结构安全的问题。后者由于损耗基本上都出现在横系梁及拱腿的衔接位置，出现的混凝土裂缝不多，但当刚架拱整体刚度受损时，依然会出现连接失效甚至断裂的情况。

横向联系加固主要基于“刚性横梁法原理”采用钢结构、混凝土加固方式来解决。钢结构加固主要是从提高横隔板刚度的角度出发基于既有结构性完整的的横系梁采用焊接钢结构的方式进行补强，混凝土加固则是在原来横系梁的基础上利用成熟的植筋技术增加横梁的结构厚度和高度从而加强桥梁整体结构的横向联系。

3.桥面板改造

受当时技术条件限制，刚架拱普遍采用小尺寸构件、低配筋率，如肋腋板少筋亦或是微弯板尺寸不足。长期荷载作用下，部分肋腋板底会出现各向异性裂缝，微弯板底部混凝土剥落、开裂，造成钢筋外露且伴有锈蚀以及漏水等影响桥梁耐久性的病害。

对于上述病害，一般采用碳纤维板（布）来处理肋腋板的底部裂缝，利用垂直裂缝方向并按U形布置的单层碳纤维材料对微弯板开裂区域进行修补，其余短且稀疏的桥面板裂缝则可根据检测结果合理采用灌缝或者封闭裂缝措施。此外，翻阅老桥设计、施工资料，针对性地对部分区域现浇层采取加铺及增强内部配筋措施以提高桥面板的承载能力。

4.桥面铺装层维修

刚架拱的凝土铺装层属于组合断面，直接承受车辆荷载，若桥面现浇层中节点负弯矩区处拉应力较大，桥面易产生横向裂缝。在横向联系不足的耦合效应下，拱片处出现纵向结构裂缝的概率加大，铺装层甚至还会产生网裂、坑槽等问题，降低桥梁结构承载力，危及运营安全。

桥面铺装拆除后应参照既有最新规范要求来施工，确保铺装层厚度及配筋率，强化负弯矩区的纵向受力钢筋，满足现有道路等级的运营承载能力。

二、工程概况

某在役40m 钢筋混凝土刚架拱桥宽8.5m（断面布置：0.75m+7.0m+0.75m），采用4片主拱肋，矢跨比为 1/8，下部结构为片石混凝土 U 型桥台，无通航要求。桥梁设计荷载为汽车-20 级、挂车-100。桥梁实图如图1所示。

图1 桥梁实图

三、典型病害及其因素分析

1.典型病害

拱肋实腹段、大节点施工接缝处存在局部开裂问题，部分拱肋四分之三位置处开裂，斜撑存在长短不一的横向、竖向裂缝，部分主拱片、微弯板及横系梁混凝土剥落、露筋且伴有锈蚀。桥面铺装上角落处有泥沙堆积，混凝土护栏存在不同程度的破损或者缺失。静动载试验表明，桥梁实测应变和挠度值均相较于理论计算值偏大，桥梁整体刚度比设计工况偏小。根据检测报告，该桥荷载等级满足原85规范设计要求，综合技术状况评定为3类桥。

2.原因分析

（1）设计因素

建立宣传动员机制，明确宣传内容、宣传方式、宣传责任等具体内容，做到第一时间宣传防灾避灾预警信息和知识，第一时间对内、对外宣传报道，第一时间收集现场汛情、灾情和抗灾救灾工作图片资料。各单位对外宣传和县防指保持互通。

由于过去设计理念的差异性，刚架拱桥普遍存在小尺寸构件多、配筋率低的问题，桥梁结构承载力富裕较小，在外荷载和环境的作用下，结构安全存在较大隐患。由于大节点处构件依靠钢板连接，混凝土为后浇筑，因而位于大节点附近的拱肋属于刚架拱的薄弱区域，在新老混凝土收缩徐变不协调及整体刚度分布不均的多重因素下，导致该处变形不协调而产生裂缝。

（2）施工因素

该刚架拱桥接缝处混凝土为后浇筑，由于时间差异导致现浇混凝土与预制部分的混凝土收缩变形不一致，该部位成为受力薄弱点，桥梁结构整体受力不均匀。长期的车辆反复荷载作用造成了新老混凝土结合面之间较大的附加应力，进而使得该节点接缝处产生裂缝。

从结构受力角度出发，考虑到斜撑为小偏心受压构件，以受压为主，因而判断其裂缝为收缩性裂缝。

（3）管养因素

原结构采用的技术规范现今已被替换，长期受到现有迅猛交通量的作用，根据实际调查，该桥经常存在重车通过等严重的超载现象，雨水通过破损严重的路面加快了桥梁构件受损腐蚀速度。

（4）其他因素

从现场情况看，该桥桥位两侧道路均为下坡，雨水及过往车辆将土体带至桥面并在桥面角落堆积，降低了桥面排水的顺畅性，容易造成桥面局部积水，长时间的车辆荷载作用加剧了沥青混凝土的剥落。

四、加固方案

1.总体加固原则

2.加固措施

维修加固措施以提升刚架拱桥梁承载能力为主，并兼顾其他附属性病害。在保证拱肋、横梁等关键构件承载力的承载能力提高的同时，加强桥梁结构的横向刚度。基于以上考虑，提出以下维修加固方案：

（1）大节点、斜撑、拱脚、拱顶处粘贴钢板加固。

（2）对于刚架拱片、横系梁裂缝，小于0.15mm的裂缝，采用封闭裂缝的方式处理，宽度大于0.15mm的裂缝采用灌浆方式处理。

（3）针对微弯板、横系梁等轻微破损处采用环氧聚合物砂浆进行修补。

（4）清理桥面泥沙，增设排水管，桥面加铺沥青混凝土。

（5）修复护栏破损、露筋部位，涂刷红白相间漆。

（6）其他构件的维修养护。

五、加固效果评价

桥梁加固后的评价机制是判断既定加固策略是否合理的关键，评价体系主要包含：加固目标及具体执行过程、效果影响、经济效益、技术性等评价。其中加固后承载能力为关键指标，主要从加固后承载力富余度角度针对设计阶段进行评价，荷载效应安全程度及承载能力加固效率可别按公式1、2考虑。

式中：R—表示抗力大小；

S—表示荷载效应。

式中：R0—表示加固前的结构承载力；

RN—表示加固后的结构承载力。

ER表示结构承载能力负荷率，在对桥梁进行加固时，若ER＞1，则表明加固效果良且结构承载力有所提升，可开展相关加固措施。

考虑到刚架拱结构主要力构件为弦杆跨中区域及拱腿，本文采用MIDAS建立有限元模型并提取结构加固前后拱肋承载力来评价加固处治方案效果。

表1 承载能力计算结果

根据表1并结合公式（2）可知加固后ER＞1，表明粘贴钢板后的承载能力有所提升。因此，拱肋粘贴钢板方案可行。

六、结语

（1）刚架拱桥有其独特的时代鲜明特征，但由于其结构的缺陷性导致病害较多。本文从刚架拱构件的一般病害问题出发，着重从设计、施工及管养等方面阐释了其典型病害的产生机理，并提出针对性的加固技术措施。

（2）结合某刚架拱桥病害给出了一般加固措施，并建立了加固效果的评价机制。验证了采用粘贴钢板对拱肋进行加固补强方案的可行性，该方案可推广到其他类似桥梁病害的维修加固设计中。

（3）本文提出的刚架拱加固技术可供同类型在役刚架拱桥的维修改造参考。