三跨连续双曲拱桥病害分析及加固方案探讨

■李 琛

（三明市公路事业发展中心永安分中心，三明 365099）

双曲拱桥由于施工简便、节省材料、造价低廉、桥型优美等特点，于20 世纪60 年代在我国桥梁建设中得到了广泛应用。 但该类拱桥的结构整体性差、设计荷载标准偏低、施工技术水平低，随着经济的迅速发展，交通量和车辆载重的增加，既有桥梁长期处于大交通量和超载的条件下运行，许多双曲拱桥出现较大病害，需要加固维修以提高其承载能力。 因此，相当部分双曲拱桥需要进行加固处理，以满足结构承载力和正常使用要求。 本研究结合永安市西门中桥（左桥）加固工程实例阐述三跨连续双曲拱桥病害情况、 病害原因分析及病害加固措施，为同类工程提供一定的参考和借鉴。

1 工程概况

永安市西门中桥（左桥）位于邵武（城关）-招银港区S219 线，桥梁中心桩号为K230+554，且位于永安市区。 该桥建于1959 年，桥梁结构为三跨连续钢筋混凝土双曲拱桥，跨径组合为3×20 m，拱圈厚0.68 m，矢跨比为1/6，主拱圈由7 肋6 波组成，各片主拱肋宽均为28 cm。每跨每端各有2 个腹拱，腹拱跨径为2 m，腹拱圈厚0.25 m，矢跨比为1/4。该桥桥长87.1 m， 桥宽为7 m （车行道）+2.25 m（人行道），原设计荷载汽-13，拖-60。 桥型布置图见图1。

图1 桥型布置图

2 病害情况与成因分析

2.1 病害情况

2.1.1 主拱圈拱波病害

第1 跨有2 条纵向裂缝，1 条裂缝缝长约15 m，缝宽0.1 mm，另1 条裂缝缝长约8 m，缝宽0.03 mm；第2 跨有5 条纵向裂缝， 其中1 条贯穿整个拱圈，缝宽0.03 mm， 其余4 条裂缝长分别为7.5 m、4 m、3 m、3 m，缝宽均为0.02 mm；第3 跨有3 条纵向裂缝，1 条裂缝缝长约16 m，缝宽0.03 mm，1 条裂缝缝长约9.5 m，缝宽0.03 mm，另1 条裂缝缝长约2.5 m，缝宽0.02 mm。 拱波裂缝分布见图2。

图2 拱波裂缝分布

2.1.2 主拱圈拱肋病害

拱肋少数部位存在混凝土松散剥落、钢筋外露锈蚀现象， 第2 跨跨中4#拱肋径向裂缝2 条，1 条缝宽0.1 mm，缝长10 cm；另外1 条缝宽0.03 mm，缝长10 cm。

2.1.3 腹拱圈病害

12 个腹拱均出现纵向裂缝，有的腹拱2 条纵向裂缝，有的腹拱3 条纵向裂缝；裂缝均贯穿整个腹拱圈；最大缝宽20 mm。

2.2 病害成因分析

通过对病害的表象及特征的观察[2]，对主要病害原因进行分析。

2.2.1 主拱圈拱波裂缝出现的原因分析

拱波的裂缝大部分是纵向裂缝，缝宽小，但裂缝数量多，产生病害的原因是：一方面拱波的钢筋网钢筋间距过大，配筋偏少，在桥梁建设的脱模或起吊过程中控制不严都会造成拱波开裂； 另一方面，由于双曲拱桥拱圈横向联系较弱，拱肋不均匀受力，造成各拱肋变形不协调，导致双曲拱桥接近拱顶处的拱波出现大量纵向裂缝；另外，桥台沉降、车辆超载、混凝土的收缩徐变也可能导致拱波发生纵向开裂。

2.2.2 拱肋径向缝出现的原因分析

拱肋径向缝出现的主要原因有：（1）拱顶径向缝产生在拱顶附近正弯矩较大的区段，往往是由于桥台发生过大的水平位移，拱顶部位正弯矩大幅增加，拱肋的拉应力超过极限拉应力所致。 （2）拱肋混凝土标号不高，截面配筋比较少，拱肋的抗开裂能力、承载力不高，因正弯矩作用导致拱肋下缘混凝土开裂。 （3）荷载横向分布较差导致拱肋受力的不均匀，使个别拱肋受力过大。

2.2.3 腹拱圈开裂的原因分析

该双曲拱桥的腹拱圈所用材料强度较低，且厚度较薄，同时结构上采用双铰拱的形式,在活载作用下，主拱圈产生变形，腹拱圈由于两侧拱脚和各拱肋的变形不协调，从而导致腹拱圈因过大的附加内力而产生裂缝。 其次，实腹式双曲拱排水不通畅，导致腹拱损坏。

3 加固前桥梁承载能力评定

3.1 计算模型的建立及荷载组合

3.1.1 计算模型的建立

为充分考虑双曲拱桥的空间作用和拱上建筑的影响，采用Midas Civil 软件中的“梁格法”建立全桥有限元模型[3]。 计算采用的边界约束条件是拱脚处固结，腹拱圈与桥台前墙、横墙之间铰接。 本空腹式拱桥建立三跨主拱及虚拟桥面系，通过竖向传力杆传递移动荷载。 主拱圈按自重加载，拱上填料按照梯形荷载加载到主拱圈，防撞栏杆、桥面铺装按照均布荷载加载于虚拟桥面板上。 拱桥移动荷载按照2 个车道加载， 施加于虚拟桥面板， 温度升温20℃，降温20℃。 桥梁梁格模型见图3，加固前实桥模型见图4。全桥共计4 095 个节点，5 827 个单元。

图3 桥梁梁格模型

图4 原桥加固前有限元模型

3.1.2 荷载组合

依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）[4]第4.1.5 条：

式中：γ0—结构重要性系数，γ0=1.0；

按《公路圬工桥涵设计规范》(JTG D61-2005)[5]第4.0.4 条～第4.0.7 条规定取相应的组合系数。 其中，对于永久作用效应的分项系数，当其对结构的承载能力不利时，γ 恒=1.2，有利时，γ 恒=1.0。 荷载组合如下：

组合Ⅰ：1.2 恒载+1.4 汽车荷载+1.05 整体升温（升温20℃）

组合Ⅱ：1.2 恒载+1.4 汽车荷载+1.05 整体降温（降温20℃）

3.2 加固前桥梁承载能力评定

选取拱脚、L/4、拱顶截面作为控制截面，加固前主拱肋承载能力结果见表1， 所列结果中轴力以使单元受压轴力为正，受拉为负；弯矩以使单元下缘受拉弯矩为正，上缘受拉为负。 依据主拱圈病害情况，确定承载力检算系数Z1,对主拱圈容许承载力进行一定折减。

表1 加固前桥梁承载能力评定结果

从表1 可见，拱脚位置轴力在荷载组合Ⅰ情况下已超过容许轴力，安全度仅有0.94，不满足要求。加固前最不利荷载组合内力值已临近甚至个别已超过结构的承载能力，说明截面的承载能力已不满足规范要求，需要对结构采取加固措施。

4 维修加固方案

4.1 加固思路

最大限度地利用旧桥结构， 加固方案力求经济、合理，结构安全，施工方便。 加固的主要内容包括：对拱波、拱肋、拱上建筑的裂缝和破损进行修补，提高结构强度和耐久性；采用增大截面法加固拱波，增加构件受力面积，相应地提高桥梁结构的承载力；对拱肋粘贴碳纤维布进行补强，提高拱肋的承载能力；对该桥的腹拱下套钢筋混凝土，增大构件的截面，以提高其承载能力。

4.2 加固措施

4.2.1 修补裂缝

当裂缝宽度≥0.15 mm， 采用灌注混凝土裂缝修补胶液处理；当裂缝宽度＜0.15 mm 时，采用表面涂刷环氧树脂处理。 对该桥的裂缝采取有效的封闭处理措施， 增强桥梁结构或构件的整体性及耐久性。

4.2.2 修补破损混凝土构件

凿除混凝土构件中的缺损或露筋部位周围松散的砼，并对钢筋进行除锈处理，同时还要对混凝土修补部位进行凿毛处理，当环氧胶液涂抹后还未凝固时，就应当及时地浇筑新的混凝土。

4.2.3 增大截面法加固拱波

增大截面法，加大了截面尺寸，对提高主拱圈的承载力、刚度及抗裂性能非常有效。 拱波增大截面法加固具体措施：全桥拱肋拱脚至离第1 根横系梁50 cm 范围内全截面 （即拱波顶至拱肋下缘）全部填平，其余部分从拱波顶至横系梁上缘填平。 加固拱波采用C40 微膨胀混凝土，混凝土中设置钢筋网，且纵横钢筋与植入钢筋采用点焊连接，拱脚设置16 mm 厚钢板，主筋应与拱脚钢板焊接。 拱波加固配筋立面图见图5，拱波增大截面加固后见图6。该方法要使加固截面与原结构结合成为整体，提高双曲拱桥的整体结构性能。

图5 拱波加固配筋立面图

图6 拱波增大截面加固后实景

4.2.4 拱肋粘贴碳纤维布

使用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在拱肋的裂缝处或薄弱部位，使两者共同受力，以提高原结构的承载（抗弯、抗剪）能力，从而达到加固、补强的目的。 具体施工步骤是：碳纤维布加固首先需要凿掉疏松混凝土用环氧砂浆修补，未凿部分打磨用丙酮清洗，先涂粘着胶再涂底胶，然后粘贴碳纤维布，用专用滚子挤出气泡， 然后粘贴第2 层碳纤维布。该方法基本不增加恒载及构件截面尺寸，具有施工便捷、工效高等优点，并且对于作业面要求很低、质量易保证、耐腐蚀及耐久性能极佳，在桥梁改造中具有极大优越性。

4.2.5 腹拱下套钢筋混凝土

为保证新筑混凝土与原结构的可靠结合，应将腹拱圈周围先凿毛，清理干净并喷水湿润，然后在腹拱圈底部、桥台前墙及拱上横墙种植钢筋，并将钢筋网与植筋绑扎焊接， 钢筋网纵横向间距为20 cm， 最后在腹拱圈下缘浇筑10 cm 厚C30 混凝土。1#、2#腹拱加固立面图见图7。其余腹拱加固方法均与1#、2#腹拱相同。

图7 1#、2# 腹拱加固下游立面图

5 桥梁加固效果分析

5.1 加固后桥梁承载力验算

本次加固后模型仅考虑主拱圈增大截面后的情况，加固后的模型中的约束、荷载与加固前模型一致，主拱圈增大截面加固后有限元模型见图8，加固后主拱圈承载能力验算结果见表2。 对比表1 和表2 可知，主拱圈轴力安全度显著提升，提升幅度见图9，达到预期要求。 综合而言，上述加固措施对改善双曲拱桥的承载能力是合理且有效的。

图9 加固前后拱肋轴力安全度对比

表2 加固后桥梁承载能力评定结果

图8 主拱圈增大截面加固后有限元模型

5.2 实桥加固效果评价

通过对加固后的西门中桥进行静、 动载试验，掌握结构在设计荷载等级下的实际工作状态及其控制截面的抗力效应和桥梁特性。

5.2.1 静载试验

该桥加固后，采用公路－Ⅱ级作为设计荷载，静载试验采用试验载重车加载，使结构主控截面或部位的内力或应力达到与设计荷载标准值的作用效应等效， 并在试验过程中测试关键部位应变及挠度，评定结构的实际工作状况和承载能力。

在各工况试验荷载作用下，各测试截面的测点应变测值与理论值变化规律基本一致，各测点应变校验系数在0.57～0.78，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）[6]中的规定。卸载后的最大相对残余应变为9.78%，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/TJ21-01-2015）中不大于20%的规定。

在各工况试验荷载作用下，主要测试断面测点挠度校验系数在0.64～0.84，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/TJ21-01-2015）中的规定。 卸载后的最大相对残余挠度为11.23%，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/TJ21-01-2015）中不大于20%的规定。

5.2.2 动载试验

通过动载试验测试测得，该桥加固后的自振频率实测值为6.85 Hz， 大于其理论计算值5.35 Hz；且实测振型与理论计算振型均一致；说明该桥加固后的结构整体刚度满足要求。 在跑车作用下，不同速度行驶时产生的冲击系数结果均小于计算值，结构行车性能较好。

综上， 通过静动载试验表明该桥经维修加固后，结构刚度和横向整体性得到较大提高，桥梁的实际承载力能满足设计荷载等级要求，维修加固效果较好。 加固后桥梁重新投入使用，运行状况良好，没有出现新病害。

6 结语

永安市西门中桥（左桥）在役三跨连续双曲拱桥的加固费用为136.2580 万元， 若拆除旧桥后新建T 梁桥的费用为684.52 万，采用该加固方案的工程造价仅为新建T 梁桥费用的20%左右， 经济指标显著。 该加固方案充分体现了安全、适用、经济、美观的原则，达到了预期的加固效果，提高了桥梁的承载能力，消除了隐患，同时保留了原桥的风貌和雄姿。 实践证明，正确地对双曲拱桥病害进行检查和分析其病害成因， 有利于有针对性的对桥梁病害进行维修加固， 对于保障交通安全有着重要意义。