波纹钢板在轻型拱桥加固中的应用

■苏国良

（福建陆海工程勘察设计有限公司，福州 350008）

20 世纪90 年代， 受当时设计理念及施工工艺的影响，建造了大批轻型拱桥。 轻型拱桥在日益增长的交通量和构件老化的影响下出现较多的缺陷。当轻型拱桥出现结构受力裂缝未进行及时处理，在车辆荷载作用下裂缝将进一步发育，导致桥梁构件的劣化。

针对轻型拱桥的加固方法主要有增大截面法、改变桥梁结构体系法及粘贴钢板加固法等。 波纹钢板加固作为一种新的加固工艺也越来越多地用在轻型拱桥上。 目前国内对于波纹钢板运用于混凝土结构方面的研究有：黄大维等[1]通过结构受力分析对波纹钢板在拱桥中的运用提出建议； 孙润方等[2]通过数值模拟的方式分析了波纹钢板对于不同结构部位承载力的增强作用；蔡事廷等[3]通过工程实例阐述了波纹钢板运用在危桥加固方面的优势；周义雄等[4]、粟缤[5]、赵卫国等[6]、郭新春等[7]分别从不同方面提出了波纹钢板在涵洞工程中的受力性能分析及研究应用。

本文以福建某国道上的轻型拱桥加固工程为依托，通过多方案的对比分析，提出采用波纹钢板加固桥梁的方式， 为后续桥梁运营养护加固提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

桥梁位于福建某国道上，为上承式拱桥，全长235 m， 上部结构采用10.2 m 石拱桥+3×63.6 m 钢筋混凝土肋板拱+10.2 m 石拱桥， 下部结构0# 台，1# 墩及4# 墩、5# 台采用砌体桥台（墩），扩大基础；2#墩和3#墩采用钢筋混凝土桥墩，扩大基础。桥面全宽9 m，横向布置为1 m（人行道）+7 m（车行道）+1 m（人行道），双向2 车道，于1992 年建成。

1.2 专项检测情况

根据专项桥梁检测报告显示， 桥梁主要病害为腹拱拱顶出现多条横向裂缝， 桥梁总体技术状况等级为3 类。 桥梁静载试验结果表明，在汽车-20 级荷载作用下，结构工作性能较好，具有一定的安全储备。

图1 腹拱横向贯穿裂缝

2 桥梁加固方案

由于该区内部分旧桥改造施工临时设置交通管制分流导致该桥在短期内交通量剧增，上述检测报告提到的腹拱横向裂缝进一步发育，且在其余腹拱拱顶位置发现多处横向裂缝。 由于该桥位于此区域对外的主要通道上，如何快速解决桥梁结构安全隐患，增大结构安全储备，确保车辆运营安全成为了加固方案的重点。

2.1 缺陷成因分析

根据现场踏勘收集的资料并结合专项检测结果，笔者认为腹拱出现横向裂缝的成因如下：

（1）该桥建成至今运营了将近十年，桥梁受力构件混凝土自身老化，预制拼接构件局部失效；

（2）该桥既有裂缝等缺陷未及时修复，裂缝进一步发育导致桥梁构件不能完全发挥性能，从而加剧了裂缝的发展；

（3）短期内交通量的剧增，使得桥梁超负荷工作是桥梁病害出现的诱因。

2.2 加固方案比选

（1）方案一：增大截面加固法

利用C30 自密实砼在既有腹拱外侧增设1 层20 cm 厚的钢筋砼套拱结构， 新增结构通过植筋与既有腹拱衔接形成共同受力， 从而达到加固目的，方案简图如图2 所示。

图2 增大截面加固方案

（2）方案二：粘贴钢板加固法

在腹拱表面粘贴宽30 cm、厚6 mm 的钢板，钢板间距50 cm。 钢板通过锚栓和粘钢胶与既有腹拱连接发挥性能，方案简图如图3 所示。

图3 粘贴钢板加固方案

（3）方案三：粘贴波纹钢板加固法

通过锚栓将钢波纹板与既有腹拱连接，并利用预留注浆孔将钢波纹板与既有腹拱的空隙填充，从而达到加固目的，方案简图如图4 所示。对3 个方案进行比选，具体内容如表1 所示。

表1 加固方案对比

图4 粘贴波纹钢板方案

本次所提出3 个方案从安全性、经济性、施工便捷性、处治效果及施工周期方面进行比选，得出：增大截面加固在增大桥梁既有刚度和承载能力的同时也增加了较多的自重，施工难度较大，工期长；而粘贴钢板加固可以增加承载能力，但对于改善轻型拱桥刚度影响很小，不能彻底解决腹拱横向裂缝缺陷；粘贴波纹钢板加固能够提高桥梁结构刚度和承载能力，改善拱桥受力模式，而且增加的自重有限，同时波纹钢板可在工厂内定制加工，运至现场直接安装，施工简便，施工周期短。 综上所述，考虑该桥梁病害情况，本次加固采用粘贴波纹钢板加固的处治措施。

2.3 加固方案设计

粘贴波纹钢板加固的具体处治措施如下：

（1）通过现场排查，核查加固区域；打磨加固区域，清除腹拱表面杂物及浮浆，对裂缝采用注胶封闭措施进行处理；

（2）利用自密实砼在腹拱起拱位置增设牛腿作为钢波纹板的基础；

（3）拼接安装钢波纹板，利用锚栓固定后通过预留注浆孔注入自密实砼，如图5 所示。

图5 波纹钢板加固方案

3 加固施工要点及质量检验

（1）原基材表面处理：为了提高与原基材表面的粘结度，必须对原基材表面进行彻底处理。 凿除表面浮皮及松散混凝土，至新鲜、坚硬混凝土外露为止，再用打磨机进行打磨处理后，用压缩空气机清除浮尘，安装波纹钢板前用丙酮擦拭表面；施工前应确保相关施工材料符合质量要求。

（2）锚栓钻孔及波纹钢板的初步固定：先将加工好的波纹钢板安装定位至腹拱拱顶表面，使用电钻设备垂直于波纹钢板表面对锚栓孔位进行钻孔定位（钻孔孔径22 mm、孔深20 cm）后，再卸下波纹钢板，逐个清理孔位。 然后重新安装波纹钢板，采用埋设M20 高强螺栓配合螺帽对波纹钢板进行未加压的初步固定。 因考虑到波纹钢板安装的便捷性，故采用分片拼装增加施工可操作性（图6）。

图6 分片拼装平面连接布置

（3）牛腿施作：牛腿部位的横向钢筋与箍筋绑扎完成后利用植入锚栓与既有混凝土连接， 同时将波纹钢板的两端与牛腿进行搭接， 搭接长度为30 cm，如图7 所示。

图7 牛腿细部

（4）安装加压及浇筑牛腿：旋转螺帽对已初步固定好的波纹钢板进行加压同时安装牛腿的浇筑模板，再对分片拼接的位置及拱圈两侧波纹钢板边缘进行密封，防止漏浆，并在牛腿处填充自密实砼。自密实砼的配制应严格按照配合比进行拌制，每次拌和要均匀且不宜太多，随拌随用，并在1 h 内浇筑完成。

（5）灌入自密实砼及密实程度检查：待牛腿处的混凝土达到初凝时，采用小型注胶机通过预留的注浆孔从中间向两边依次注入自密实砼，利用自密实砼本身的高流动性从牛腿处往拱顶填满，直到拱顶排气孔中冒出自密实砼时停止注入。 间隔约10 min 后，按原注浆顺序依次补浆，同时用木槌轻敲钢板表面检查是否填充密实， 防止拱顶位置脱空，并利用排气孔对拱顶位置进行适当补浆，最后用结构胶对注浆孔和排气孔进行密封处理。

（6）防护处理：待自密实砼凝固后（一般为24 h左右） 清除波纹钢板表面污物， 涂抹厚度不小于3 mm 环氧树脂砂浆进行防护处理。

（7）质量检查：目前国家及行业尚无对此类工程实体进行质量检验评定的统一标准，工程中常用的方法有小锤敲击法，该方法仅能检查自密实砼是否存在脱空且受人的主观因素影响较大，具有一定的局限性。

4 加固效果

目前该桥已经完成了加固工作， 历时1 个月，并利用桥梁静动载试验对比加固前后的加固效果，如表2～3 所示。

由表2 可知，桥梁结构的竖向振动一阶频率加固前实测值略大于加固后实测值，说明加固后实际结构竖向刚度有所提升。 由表3 可知，加固后的实测挠度平均值大于加固前的实测挠度平均值，表明该桥结构在试验荷载作用下，安全性能有所提升。

表3 加固前后挠度测试校验系数对比

综上所述，加固后桥梁刚度及安全储备都略有提升且腹拱未再出现裂缝缺陷，加固效果良好。

5 结语

结合前人研究成果和实际工程实例证明采用埋置式波纹钢板-混凝土结构对拱形结构拱顶混凝土增强效果明显， 并且粘贴波纹钢板加固方式相比传统的加固方法具有施工便捷、 自重轻等优点， 针对拱形结构拱顶结构缺陷可采用波纹钢板加固。

虽然本文通过工程实例验证钢波纹板加固轻型拱桥效果明显，但是如何通过理论计算评判加固采用波纹钢板对既有混凝土结构增强作用是一个复杂问题，目前国内没有相关的规范和理论计算公式作为支撑依据，有待后续进一步研究。