刚架拱桥的加固设计优化研究

韦运勇

摘要：桥梁维修加固是延长桥梁寿命、节约建造成本的主要途径。文章以广西隆安县右江大桥（4×60 m刚架拱桥）维修加固工程为例，基于桥梁病害现状，结合刚架拱桥的受力特点对病害原因进行分析探讨，有针对性地设计加固方案，可为类似桥梁工程维修加固提供参考。

关键词：刚架拱桥;病害检测;维修加固;优化设计

0 引言

刚架拱桥是由双曲拱桥结合斜腿刚构特点发展演变的桥型，其受力特点兼有拱和刚架的特性[1]。刚架拱桥具有更多双曲拱桥结构特点，其实腹段拱肋和两侧弦杆、斜撑、拱腿互相刚结，形成整体结构共同抵抗外部荷载，同时拱上建筑不是单纯地传递荷载，而是参与结构受力，使刚架拱片及其他构件尺寸变小，具有施工简便、节省材料等优点。但由于刚架拱桥构件尺寸偏小，受力钢筋配置一般较少，整体刚度较低。随着经济飞跃发展，重型车辆交通量迅速增大，使桥梁超负荷运行，多数刚架拱桥容易出现承载能力不足、病害发展快速等现象，影响了桥梁结构稳定，存在较大安全隐患[2-4]。本文依托右江大桥，从病害分析、受力特点和优化设计等方面，对刚架拱桥维修加固进行探讨，为类似桥梁加固提供建议。

1 桥梁概况

右江大桥于1999年建成通车，桥梁全长292 m，全宽15.60 m，设计荷载等级为汽车-20级、挂-100。上部结构为4×60 m刚架拱，净矢跨比均为1/10，下部结构桥墩采用重力式片石混凝土桥墩，桥台为组合式桥台。每跨主拱由5条拱片组成，拱片由实腹段拱肋、两侧弦杆、斜撑、拱腿组成，桥面板由432块微弯板和216块悬臂板组成，横向联结系由32根Ⅰ型大横系梁和432根Ⅱ型小横系梁组成。右江大桥桥型布置如图1所示。

2 桥梁病害

右江大桥桥梁技术状况等级评定为4类，已经处于一个较差的状态。刚架拱片、横系梁、微弯板、桥台、桥面铺装都存在比较严重的病害。右江大桥主要病害汇总如表1所示。

3 病害成因

3.1 刚架拱片裂缝、剥落

刚架拱片裂缝和剥落病害多位于拼接处，由于拼接处施工质量较差，混凝土浇筑不密实、强度低，与预制构件混凝土粘结较差。在车载等移动荷载作用下，拼接处混凝土逐渐开裂、剥落。

3.2 横系梁裂缝、剥落和麻面

右江大桥横系梁混凝土裂缝、剥落和麻面等病害集中在拼接处。主要原因为：拼接处施工质量较差，浇筑不密实，多处麻面，拼接处构造偏弱;同时桥跨较大，横系梁相对较少，整体横向刚度偏弱。在车载作用下，刚架拱片之间豎向位移不一致导致横系梁受到剪力作用，微弯板对拱片产生推力，从而使横系梁受到拉力作用，在剪力与拉力的共同作用下，横系梁容易在构造偏弱的拼接处产生开裂和混凝土剥落现象。

3.3 微弯板裂缝、剥落

微弯板原设计为搭设在拱片上，在车载等移动荷载作用下，因横向联系偏弱，导致微弯板两端发生水平或竖向位移，使得微弯板边界位置发生了附加位移，在板中产生较大的应力，同时微弯板最薄处仅6 cm厚，构造偏弱，从而产生微弯板裂缝、剥落。

4 优化设计

通过外包混凝土增大刚架拱截面抗力，是刚架拱桥传统的加固方法。但右江大桥刚架拱片截面面积较小，如图2所示，拱腿截面尺寸为（95×35）cm，截面面积为0.33 m2，若外包一圈15 cm厚的混凝土，拱腿截面面积为125 cm×65 cm=0.81 m2，截面面积为原来的2.5倍，即采用外包混凝土的加固方式，消耗的混凝土与钢筋用量是旧桥的1.5倍，材料耗能多，经济效果较差。同时，更值得注意和思考的是，外包混凝土强度未形成前，新增的1.5倍混凝土自重直接由原结构承担，刚架拱片有可能因负重过大而产生破坏，危及桥梁安全，施工安全隐患大。因此，改造设计主要采用粘贴钢板加固刚架拱片的方式，各部位优化设计如下。

（1）右江大桥拱顶实腹段为弯压构件，以受弯破坏为主，因此在跨中拱顶刚架拱片底面每边各10 m范围内（正弯矩区）粘贴钢板（见图3），有效提高刚架拱片承载力，限制拱顶裂缝的产生与发展。

（2）外弦杆为受弯构件，内弦杆受弯的同时还受到一定的轴力作用，桥梁超负荷运行时，外弦杆梁底更容易产生裂缝。因此，在弦杆梁底粘贴钢板，提高承载力，限制裂缝发展。

（3）拱腿为矩形截面，直杆型，向下部结构传递了大部分水平应力和竖向应力，同时还传递较小的弯矩，属于小-偏小受压构件，是上部结构中极为重要的结构。加固改造使桥梁恒载增加较大，拱腿承载能力需要有较大的提高，因此需要在拱腿上下两面粘贴钢板，钢板可抗拉、抗压，有效地提高拱腿承载能力;同时增设环箍，使混凝土处于三向受压状态，提高混凝土的抗压强度。

（4）斜撑为矩形截面，可以起到减小弦杆弯矩，分流到拱腿轴力的作用，也属于小-偏小受压构件，主要加固方式与拱腿一致。

（5）大节点与小节点处均受到较大的负弯矩作用，且大节点处于拱腿与实腹段拼接处，小节点处于斜撑与弦杆拼接处，虽然拼接处有钢筋加强，但其性能极易受到施工质量的影响。检测发现右江大桥刚架拱片裂缝和混凝土剥落多位于大、小节点的拼接处附近，是由施工质量较差所致。大节点采用U型钢板固定钢条的方式加固拼接处，小节点拼接处可采取延长斜撑钢板的方式加固。大、小节点两侧粘贴钢板，以抵抗负弯矩。

（6）右江大桥横系梁为矩形截面，将各个拱片连接成为一个整体，使各个拱片共同受力，并且增强其横向稳定性，限制拱片的侧向位移。在结构侧向刚度较小时，或者微弯板、桥面铺装连接强度较差时，横系梁会受到较大的拉力。根据横系梁病害成因分析，采取增设钢横系梁的方式提高右江大桥的整体性和横向刚度（见图4）;同时在原混凝土横系梁拼接处包裹碳纤维布，提高其抗拉能力并限制其裂缝发展。

（7）微弯板为拱形结构，可采用粘贴轻质高强的碳纤维布的方式加固微弯板，同时限制裂缝的发展。该方式几乎不增加自重，可有效减轻桥梁改造后的自重（见图5）。

（8）利用Midas Cival有限元软件，采用梁格法建模，建立空间有限元模型（见图6），分析桥梁结构的荷载横向分布特性，对右江大桥进行承载能力验算，以拱顶、拱脚、拱顶L/4（大节点）及3/8L弦杆正负弯矩区为控制截面。表2列出各验算截面的计算结果，可见右江大桥桥梁承载能力可满足“公路-Ⅱ级”荷载等级要求。表3为粘贴钢板法与增大截面法的加固方案比较，可见本文推荐的粘贴钢板法可有效较少材料消耗量，节约加固成本，简化施工程序，缩短工期。

5 结语

针对刚架拱桥的构件尺寸偏小、整体刚度低的缺点，刚架拱的加固设计要从其结构原理深入分析，选择最合理的加固方法，既要保证维修加固后桥梁承载力、耐久性和可靠度满足规范要求，还需避免改造施工过程中桥梁构件因负重过大而被破坏。本文基于实际工程对刚架拱桥进行优化设计，有效地解决了上述问题，可为同类项目的研究、设计提供参考。

参考文献：

[1]谢庆铭.钢筋混凝土刚架拱桥加固方法研究[D].南宁：广西大学，2019.

[2]刘洪瑞，周俊锋.超载作用下刚架拱桥的病害分析与防治[J].广东工业大学学报，2003（2）：42-45.

[3]吴鉴军，莫 宁，徐永峰.刚架拱桥的病害原因与加固分析[J].广西大学学报（自然科学版），2008，33（S1）：61-63.

[4]齐文廷.混凝土刚架拱桥病害及加固措施浅析[J].北方交通，2013（3）：79-82.