某双曲拱桥钢箱加固效果评定

刘学术

甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030

双曲拱桥是一种具有我国地域特色的桥梁形式，主要建造于20世纪60年代至80年代中期。据不完全统计，我国共修建有双曲拱桥4000余座，占同期全国公路桥梁总数的25%。但是，由于受当时设计水平、施工质量及理论研究等条件的限制，双曲拱桥存在设计标准低、通行能力小、结构整体稳定性弱及强度低等缺陷，再加上运营年限、交通流量及荷载等级等因素的影响，近几年，双曲拱桥的病害越来越突出，甚至影响了其安全使用。对于以上现状和问题，钢箱加固法是一种增大双曲拱桥拱肋截面的便捷加固方法，有必要对钢箱加固后双曲拱桥的承载力、刚度及整体性等指标的改善效果进行深入研究，为双曲拱桥钢箱加固方法做技术铺垫。

1 工程概况

某桥钢筋混凝土双曲拱桥跨径布置为4×48.26m，桥长214.24m，桥面宽6.5m，拱轴系数为4.324，矢跨比为1/8，横断面为四肋三波。主拱肋断面尺寸为30cm×48cm，拱肋分3段预制安装，材料采用300#钢筋混凝土，沿桥纵向每两片肋间设15道12号槽钢横系梁，拱波为200#混凝土圆弧预制块，厚度为8cm，腹拱是矢跨比为1/2的钢筋混凝土圆弧拱，腹拱立柱间净距为3.0m，腹拱圈厚0.4m，腹拱材料为200#混凝土。桥台采用空腹式U型桥台、明挖扩大基础，桥墩为圆端形实体墩、沉井基础。桥梁于1968年建成并投入使用，设计荷载为汽-13、拖-60级。

通过现场调查结合实桥试验测试鉴定结果发现，该桥经过近50年的运营，第二孔拱顶截面上方的桥面严重下沉，大车通过时桥梁有明显的横向振动，偏载作用下各片拱肋应力挠度实测的横向分布和理论差异较大，动载试验所得的实测冲击系数大于理论值，实测基频与理论基频之比为0.872。根据以上结果，判定该桥处于危险运营状态。

经过分析认为，该双曲拱桥出现以上病害的主要原因如下：双曲拱桥结构本身比较零散、整体性不好，横向联系薄弱，不利于横向内力和变形的传递；3段预制安装的拱肋施工方法，在拱肋预制时由于预拱度预留不准确，拱肋安装后拱轴线存在一定的几何变形；该桥设计荷载较低，不能满足当前的交通需求，长期的超载运营使得主拱变形严重，主拱拱顶下沉使得部分拱波被压碎，侧墙开裂，腹拱错位，桥梁线形呈波浪形。

为了满足承载能力和正常使用的要求，针对以上病害及病害产生原因，对该双曲拱桥主要进行了拱肋钢箱加固、横系梁补强加固，具体加固尺寸如图1所示。

图1 拱肋钢箱加固（单位：cm）

拱肋钢箱加固是先将厚度为6mm、材料为Q235A的2块侧面钢板和1块拱肋下缘粘贴钢板焊接成一内宽度和拱肋等宽的“H”形钢槽，将“H”形钢槽嵌套锚固至拱肋，然后用封口钢板对“H”形钢槽下缘进行焊接封口，最后在拱肋内填充C40混凝土至密实。横系梁补强加固是先按照相关尺寸在每道横系梁连接的两片拱肋上植入Φ22螺纹钢筋，并在其上绑扎箍筋，然后用C30混凝土浇筑高35cm、宽22cm的钢筋混凝土补强横系梁。

2 加固效果分析

2.1 有限元计算

（1）基本假定。①下部结构及基础刚度较大，车辆过桥时拱脚不产生平动位移，其约束按固定铰考虑。②桥面铺装层在结构有限元计算时仅考虑其质量的影响，且不考虑拱上建筑的联合作用。

（2）有限元模拟分析。基于以上基本假定，建立有限元模型，其中拱肋、横系梁、腹拱立柱用一般梁单元，拱波及腹拱圈用板单元，桥面板用解除梁端铰约束的梁单元，拱脚约束采用固定铰模拟，拱肋截面采用钢-混凝土组合截面，运用模型对结构进行静、动力计算分析。

通过有限元结果结合压弯构件的理论计算，分别对加固前后拱肋1/4跨截面、拱顶截面的压弯承载力进行计算，并对加固前后对拱肋承载力起控制作用的拱顶截面对应的抗力与效应比值、桥梁的竖向及横向基频进行计算分析，其结果如表1所示。

由表1可知，加固后拱肋承载力主要控制截面的承载力控制值均有所提高，且幅度在10%以上，同时，加固后拱顶截面对应的抗力与效应比值大于1，且较加固前提高幅度达到11.3%，说明加固有效地提高了拱肋承载能力，且具有一定的安全储备；加固前后桥梁基频的提高说明加固使桥梁的整体性得到了改善，故其横向整体稳定性有所提高。

表1 加固前后拱肋承载力、抗力与效应比值及自振频率计算结果

2.2 荷载试验

（1）静载试验。为了真实反映钢箱加固对双曲拱桥的加固效果，依据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011）和《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）对该桥在加固前后分别进行了荷载试验。根据规范标准的规定，静载试验分单车和双车、对称和非对称，一共采用了7种加载工况，加载截面分别为L/4截面、拱顶截面及3L/4截面；选用的加载车辆总重量为33t，主要截面荷载试验加载效率指标为1.09；主要测试截面分别为L/4截面、拱顶截面、3L/4截面及拱脚截面，主要应力和位移测点均布置在拱肋下缘中心。

（2）动载试验。动载试验的主要项目分脉动试验和跑车试验。脉动试验在拱顶桥面布置拾振器测试结构的自振周期及频率等动力特性，跑车试验通过测试单车分别以10km/h、15km/h及20km/h通过桥梁时的动位移时程来计算确定结构的冲击系数及阻尼比。

2.3 加固效果分析

通过加固前后的荷载试验，分别对加固前后拱肋的拱脚截面、1/4跨截面及拱顶截面在单车和双车两种加载工况下的应力和挠度进行了测试并分析，同时对加固前后桥的横、竖向基频实测结果进行了对比分析，结果如表2所示。

由表2可知，加固后拱肋主要控制截面的最大应力均有所下降，且幅度在8.0%以上，主要控制截面的挠度减小幅度在15%左右，说明加固有效地改善了结构的强度和刚度，同时，对结构基频实测值对比发现，横向基频提高达25%，有效地提高了结构的整体性和横向稳定性。

表2 加固前后拱肋应力、挠度、自振频率荷载试验实测结果

3 结论

文章介绍了某双曲拱桥的病害调查、病害机理分析及加固方法研究，通过加固前后的实桥荷载试验结合有限元分析，研究了该桥所采用的钢箱加固法的加固效果，得到了如下结论。

（1）由于构件零散等结构本身的缺点、通行荷载等级及交通量的不断提高，以及施工设计缺陷等问题，我国的大多数双曲拱桥已处于严重的病害高发期阶段，甚至已直接影响其安全运营，应加强平时的检查和必要的维修加固。

（2）通过计算可知，钢箱加固法能有效提高双曲拱桥拱肋的承载力和安全系数，横系梁的补强加固对改善双曲拱桥的整体性和横向刚度具有显著效果。

（3）案例双曲拱桥所采用的钢箱加固法+横系梁补强加固法中，对该桥的各项主要控制指标提高量在10%以上，达到了加固的目的；同时，表明了钢箱加固法可作为提高既有双曲拱桥承载力的一种有效加固方法推广采用。