某刚架拱桥病害成因分析及加固方案设计

李思艺

(广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

刚架拱桥是一种以无支架施工技术为基础而发展起来的新型桥梁，具有构件少、整体性好、刚度较大、自重较轻、造型美观等优点[1-3]。然而，随着交通基础设施建设的快速发展，车流量日益增多，刚架拱桥出现了整体性较差、横向稳定性不足等问题，桥梁微弯板、主拱肋等部位易于损坏，严重影响了桥梁的运营安全[4-7]。因此，研究刚架拱桥的维修加固具有重要的现实意义。

在刚架拱桥加固维修方面，陈建华等[8]对某刚架拱桥主要病害进行分析，提出了加固维修措施，并用Midas软件进行结构验算；齐秦等[9]采用增大截面法对某刚架拱桥进行加固，同时基于Midas Civil软件建模进行应力分析，对比了不同施工顺序对拱桥各部位的影响；孙全胜等[10]对某刚架拱桥进行静动载试验，针对检测结果提出了加固设计方案，并采用有限元软件进行承载能力验算；秦军等[11]采用钢板-混凝土组合技术对某刚架拱桥进行应用研究分析，结果表明，采用的组合技术对刚架拱桥的加固效果较好。

本文通过分析某跨径为45 m的刚架拱桥病害及结合现场实际施工情况，对刚架拱桥进行病害处治，提出对主拱圈、横向联系梁、桥墩基础等部位采取技术加固措施的方案。

1 桥梁概况

某桥为跨径3×45 m的上承式钢筋混凝土刚架拱桥，其中跨矢跨比为1/10，桥梁横向采用4片刚架拱布置。上部结构桥梁横向总宽12.5 m，其中行车道宽9 m，两侧各设1.75 m宽的人行道。该桥混凝土原设计标号采用300，原设计荷载标准为汽-20级、挂-100，人群荷载为3.5 kN/m2。

图1和图2分别为该桥的半立面图、跨中横断面图。

图1 桥梁半立面图(cm)

图2 桥梁跨中横断面图(cm)

2 典型病害及分析

2.1 加固之前存在的典型病害

该桥经过17年的运营，由于设计资料缺失，加之近几年经济的发展，时有大型超载汽车通行，对桥梁的正常安全运营构成一定隐患。该桥加固之前存在的主要问题如下：

(1)主拱腿拱脚截面存在垂直于拱腿轴线的竖向裂缝；在桥的1/8跨次拱腿和腹孔段拱肋处存在竖向裂缝，最大裂缝宽度为0.38 mm，高度为70 cm；在1/4跨主拱肋和中腹孔梁区域，存在水平和竖向裂缝，部分贯穿至微弯板，最大裂缝宽度为0.32 mm，长170 cm；在桥1/3跨的跨中实腹段区域处存在部分竖向裂缝，最大裂缝宽为0.20～0.22 mm。

(2)两侧桥台处出现明显裂缝，部分区域的拱脚和梁肋处出现露筋，对桥梁的耐久性造成一定的影响。

(3)中跨南侧桥墩墩底存在明显的冲刷病害，最大冲刷深处达到60 cm左右。

(4)桥面东侧线形在第1跨处起伏较明显，另在中跨跨中区域的桥面明显呈马鞍型。

2.2 原因分析

(1)考虑到当时的设计理念和经济效益情况，刚架拱桥大多采用尺寸小、配筋率低的构件，虽然满足了当时的交通需求，但是未考虑到未来的交通量情况，造成桥梁结构安全储备性能不足的问题。同时，桥梁拱肋仅采用横向联系，造成拱肋横向刚度不足，受力不均匀。

(2)由于该刚架拱桥采用预制构件进行现场拼装，对预制构件的尺寸、现场施工精度等要求较高。而在对该桥进行现场检测时发现：大、小节点和拱肋跨中湿接头接合处部位均存在竖向或者环向裂缝，接触部位的焊接和后浇带施工质量较差。

(3)该桥采用的结构设计标准较低，不符合现在的交通量需求。同时，该桥为当地的主要货物运输通道，存在超载、超重的现象，在长期的荷载积累作用下，加快了桥梁的破损速度。

3 加固方案

3.1 加固措施

为使加固后的桥梁承载能力仍能维持汽-20级、挂-100级水平，须采用以下加固措施：

(1)对主拱片1/4跨处主拱肋与中腹孔梁交界区域的严重裂缝部位采用粘贴钢板加固并加强。

(2)采用灌缝、封缝及粘贴纤维布的措施对拱肋一般裂缝进行加固处理，提高桥梁部分薄弱构件的承载能力和安全性。

(3)对中跨有明显冲刷的桥墩墩底，应在桥墩墩底周围植入锚筋，并浇筑混凝土进行加强。

(4)凿除原桥面铺装，重新加铺直径为12 mm、间距为10 cm的钢筋网，同时更换伸缩缝，浇筑C40混凝土桥面铺装。

(5)对桥梁结构混凝土破损的部位进行修补处理，提高桥梁结构的完整性和安全性。

(6)对部分微弯板的横桥向贯穿裂缝，考虑采用粘贴纤维布加固修复处理。

如图3所示为该桥加固后半立面图。

图3 桥梁加固后半立面图(cm)

3.2 主拱圈加固方案

由于在跨中实腹段区域和1/4跨主拱肋与中腹孔梁交界的区域，以及桥的1/8跨次拱腿和腹孔段存在较多裂缝，对桥梁的安全运行构成了潜在威胁，所以应着重对桥梁主拱片的这几个部位进行加固处理。

考虑到主拱片的这三个区域也是主拱片预制件拼装节点所在的位置，且是主拱片连续性最差的部位，故分别采用外包钢板加固和粘贴碳纤维进行加固处理。其中，在1/8跨和跨中段采用粘贴碳纤维进行加固，1/4跨大节点处采用外包钢板进行加固。这样既可以对裂缝起到封闭作用，也加强了连接节点的连续性。由于加固部位的表面积较大，所用钢板的厚度也不宜太薄，采用结构胶粘贴施工起来将比较困难，所以宜采用包钢注浆的方法进行加固。先用M8×90膨胀螺栓将10 mm厚钢板固定于主拱片两侧(跨中实腹段区域为两侧和底面)，然后再注入灌注用结构胶。

对于裂缝宽度>0.20 mm的裂缝，先进行注浆处理，再用包钢注浆和粘贴碳纤维进行加固，即用压力将灌缝专用环氧液注入裂缝内，使得断裂的混凝土重新粘合在一起。

3.3 横向联系梁加固方案

横向联系梁对桥的横向联系工作性能起着最重要的作用。目前该桥已有部分横向联系梁出现裂缝，为使桥梁满足正常的运营要求，应对横向联系梁进行加固处理。

采用高强度无粘结钢绞线给每一道三跨横向联系梁施加预应力是一种最有效的加固方案，这样既可以有效控制横向联系梁裂缝的展开，又大大加强了四榀主拱片的整体工作性能。在每道横向联系梁的两侧各布置2根极限强度为1 860 N/mm2、φ15.24 mm低松弛无粘结钢绞线，每根钢绞线张拉150 kN，在每道Ⅱ型联系梁中将产生83 kg/cm2的压应力。

3.4 桥墩基础加固方案

由于溪水的长期冲刷作用，中跨南侧桥墩底部已严重冲刷，最大冲刷深处达60 cm。为了确保桥梁安全使用和延长正常使用寿命，应对中跨桥墩进行加固处理。其加固方法是在桥墩墩底周围打入锚筋并浇筑混凝土进行加强。

4 结语

本文在对结构进行病害分析评估的基础上，根据某斜腿刚架拱桥的病害成因，采取综合的处治对策：对主拱片主拱肋与中腹孔梁交界区域采用粘贴钢板加固并加强；对拱肋裂缝进行灌缝、封缝并粘贴纤维布加固处理；对中跨有明显冲刷的桥墩墩底周围植入锚筋并浇筑混凝土；凿除原桥面铺装，更换伸缩缝并浇筑C40混凝土桥面铺装；对部分微弯板裂缝采用粘贴纤维布加固修复处理。本文病害成因分析以及综合处治设计方案可为同类型刚架拱桥的维修加固处治提供借鉴。