钢混组合结构在双曲拱桥加固中的应用

王龙辉

(广东省广建设计集团有限公司，广州 511455)

0 引言

我国桥梁总数已位居世界第一，成为名副其实的桥梁大国[1]。在桥梁建设快速发展的同时，由于环境荷载作用、材料老化、腐蚀效应、疲劳效应等自然因素的影响以及交通流量、重载交通的快速增加，桥梁结构不可避免地出现损伤累积、抗力衰减甚至突发破坏，总体状况不容乐观[2]。其中，双曲拱桥的状况尤为突出，此类桥型在构造及结构体系方面存在先天技术缺陷，预制构件零碎、结构受力复杂、整体性较差。目前该结构形式已不再采用[3]，但仍有相当数量早期建造的此类桥型仍处于在营状态，安全隐患较为突出，基本上巳全面进入需维修加固的阶段。

双曲拱桥常用的加固方法有增大截面或改变截面形式、粘贴钢板或纤维复合材料，以及增强横向整体性等，这些方法已有较多工程应用。当有特殊车辆过桥(重车过桥)、对提升桥梁承载能力要求较高时，受材料特性、结构形式或现场环境的限制，上述传统加固方法存在一定的局限性[4-5]。粘贴钢板或纤维材料法对双曲拱桥的结构刚度和承载力提高有限，不能满足重车过桥的需求；钢筋混凝土增大截面法提升双曲拱桥承载力有保障，但其现场施工湿作业工作量大、施工周期长、原结构恒载增加较大，削减了原桥基础承载力的富余量，甚至可能造成加固后运营过程中基础承载力不足，此外构件截面尺寸的增大对结构使用净空也有较大的影响[6-7]。

目前关于钢混组合结构的研究多集中于新建桥梁，具体的结构形式有压型钢板混凝土组合板、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构、钢混凝土组合梁和外包钢混凝土结构[7]，而对钢混组合结构在既有桥梁的运用研究较少涉及。翟玉华[9]通过立交桥维修加固实例介绍了“高强环氧灌浆料+钢板”的施工工艺流程以及质量控制要点。但关于“钢板+灌浆料”在桥梁承载力加固的理论研究尚未见到报道。

本文结合双曲拱桥承载力加固的工程实践，从实际应用研究的角度介绍“钢板+灌浆料”钢混组合结构在旧桥加固中的应用，为其他类似工程提供参考。

1 工程案例

1.1 工程概况

某能源有限公司发电设备的运输需经过省道中的一座双曲拱桥。该桥全长40.2m，跨径组合为2×12m，矢高2.3m，桥面宽8.6m，净宽8.0m。主拱圈横向布置7片普通钢筋混凝土拱肋，纵桥向设置6道横系梁，墩顶设置1个拱上腹拱，如图1所示。

由于存在超设计使用荷载的情况(运输车辆车货总重128t，如图2所示)，需对该双曲拱桥进行维修加固。根据建设单位委托要求，维修加固后的双曲拱桥需满足短期内重车在交通管制下沿桥梁中线行驶过桥的要求。

图2 运输车辆

1.2 桥梁加固技术路线

根据该桥实际运营情况以及检测结果，偏保守地认为该桥现有承载能力满足汽-15级荷载，但不能满足设备运输车过桥的需求。

根据汽-15级的承载力，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)[10]计算方法，推算原桥纵向主受力钢筋面积，以此为加固计算基础，使加固桥涵满足重车过桥的要求。

经过多年的运营使用，桥梁基础沉降巳趋于稳定且无检测数据反映该桥基础有沉降，经复核，加固后该桥通行重车时基础反力增加不足10%，增比不大，因此暂不考虑桥梁基础的加固。

1.3 有限元加固计算分析

1.3.1 模型的建立

该桥为两跨实腹式双曲拱桥，根据双曲拱桥结构受力的特点，该桥理论计算简化为无铰拱受力模型。结构静力分析采用桥梁有限元软件MIDAS/CIVIL进行，采用梁格法进行有限元建模，模型为696个梁单元和392个节点，有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

1.3.2 荷载工况组合

在荷载输入建模过程中，静力荷载考虑了栏杆、填料及主拱圈自重、钢混组合结构自重，移动荷载考虑了临时交通管制下(封闭另一车道)沿道路中线行驶且行驶速度不超过5km/h的128t汽车荷载和双车道偏载的汽-15级荷载。

该桥结构加固的计算分析过程考虑了如下两种工况：(1)主拱圈汽-15级荷载作用下的工况；(2)加固后交通管制情况下重型运输车辆过桥的工况。

工况1荷载作用为汽-15级荷载、自重(含原结构自重、钢混组合结构自重)；工况2荷载作用为128t汽车荷载、自重(含原结构自重、钢混组合结构自重)。两组工况的承载能力极限状态按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)[12]进行组合，考虑到加固后结构的安全性和经济性，128t汽车荷载分项系数取1.1。

1.3.3 计算结果与分析

两组工况下主拱圈拱肋的弯矩和剪力如图4～图7所示。

图4 工况1拱肋弯矩(单位：kN·m)

图5 工况2拱肋弯矩(单位：kN·m)

图6 工况1拱肋剪力(单位：kN)

图7 工况2拱肋剪力(单位：kN)

由图4～图7可知，重车过桥时拱肋跨中正弯矩和拱脚剪力、负弯矩都有不同程度的增加，故需对拱肋进行承载力加固。

1.4 拱肋加固截面计算

为提升双曲拱主拱圈的整体性，全桥拱肋和横隔梁均采用钢混组合加固(钢板+灌浆料)的方式三面加厚5cm，并将拱肋和横隔梁连接处的钢板焊接为整体，如图8和图9所示。

图8 钢混组合结构加固立面

图9 钢混组合结构加固

根据《公路桥梁加固设计规范》(JTG/T J22-2008)[14]中的加大截面法和粘贴钢板加固法，进行加固设计计算。该桥拱肋跨中截面及拱脚处截面验算结果见表1，由表1可知，钢混组合结构加固后桥梁承载能力得到较大提高，满足相关规范的技术要求。

表1 拱肋加固验算结果

1.5 施工工艺

钢混组合结构加大截面法利用锚栓将三面围箍钢板固定在原结构，提高了施工现场拼装组合效率，同时使新增的钢板与原结构之间的连接变得更可靠[15]。

钢混组合加大截面法的施工要点和主要工艺流程：混凝土表面凿毛→钻孔植筋→钢板下料及表面处理→钢板安装固定→灌注灌浆料→检验养护→防腐处理。施工过程的照片如图10和图11所示。

图10 现场安装钢板施工

图11 加固施工完成后的桥梁

2 桥梁加固效果

桥梁加固工程施工完成后，根据第三方检测机构出具的荷载试验报告，表明该桥加固后在荷载试验作用下，工作性能良好，主拱圈处于弹性工作状态，其承载能力满足128t运输车辆在交通管制下过桥(沿桥梁中线行驶)的使用要求。

加固后桥梁在运输车辆全部通过后，主拱圈钢板未出现开裂和变形，拱圈线型也没有发生变化，证明了钢混组合结构(钢板+灌浆料)加固双曲拱桥是可行的，能有效解决重车过桥工况下桥梁加固等问题，具有推广应用的实用价值。

3 结语

相比于传统的加固方法，钢混组合结构加固具有如下特点：

(1)材料利用率高、经济性好。相对于传统的钢筋混凝土加大截面法，钢板+灌浆料加大截面法能充分利用材料性能，即钢板较高的抗拉强度和灌浆料较高的抗压强度。与传统的钢筋混凝土加大截面法相比，可有效降低加大截面的厚度，节省约10%施工成本费用，经济效益较显著，对环境影响小。

(2)加固桥梁外观变化小。钢混组合结构加固桥梁对桥梁外观影响很小，相对于传统的加大截面加固，恒载增重减少约45%，基本上不影响桥下净空。对于部分历史悠久和具有文化底蕴的文物古桥，从保护的角度考虑，此方法能较好地保持原桥外貌，具有较好的社会效益。

(3)施工便捷，可操作性强。外包钢板可作为灌浆料浇筑模板，省去了制安和拆除模板工艺，可加快施工进度。此外，高强灌浆料流动性强，可以解决新增结构厚度较小时普通混凝土难以浇筑的施工难题。该加固方法施工便捷，可操作性强，可应用于各类混凝土结构加固中。