刚架拱桥加固方法及加固后评估分析

莫喜晶

(广西壮族自治区桂西公路发展中心，广西 南宁 530005)

0 引言

刚架拱桥的弦杆、斜撑和拱肋互相刚结，形成整体结构共同抵抗外部荷载，兼有拱和刚架的特性[1]。同时，拱上建筑不是单纯的传递荷载，而是参与结构受力，使刚架拱片及其他构件尺寸变小，具有施工简便、节省材料等优点。但是，由于构件尺寸偏小，刚架拱桥受力钢筋配置一般较少，横向联系弱，整体刚度较低。随着社会发展，重型车辆交通量迅速增大，刚架拱桥容易出现承载能力不足、病害发展快速等现象，存在较大安全隐患[2-5]。本文以广西贺江一桥为项目依托，基于刚架拱桥的受力特点与病害现状，对刚架拱桥加固技术进行探讨，并通过荷载试验分析刚架拱桥加固后的受力性能，为类似桥梁加固提供参考性建议。

1 桥梁概况

广西贺江一桥建成于1995年，跨越贺江，全长212.0 m，桥面总宽20.0 m，原设计荷载等级为汽车-20级，挂车-100。该桥上部结构为4×43 m刚架拱，净矢跨比为1/8，下部结构为重力式墩台，扩大基础。每跨主拱由7条拱片组成，拱片横向间距为3.2 m，拱片由实腹段拱肋、内外弦杆、斜撑、拱腿组成。桥面为预制微弯板+现浇桥面混凝土结构。贺江一桥桥型布置如图1所示。

图1 贺江一桥桥型布置图(cm)

2 桥梁病害及成因

贺江一桥刚架拱片弦杆和拱顶附近下缘出现较多横向裂缝，弦杆为受弯构件，拱顶附近为弯压构件，最大缝宽超过规范限宽，说明桥梁承载能力不足。由于该桥修建年代较为久远，设计荷载较低，随着交通的不断发展，超载超限车辆不断增加，使桥梁超负荷运行，刚架拱片承载能力不足从而产生超限裂缝。横系梁病害表现为梁中部出现竖向贯通裂缝，其原因是贺江一桥横系梁布置相对较少，截面尺寸较小，桥梁整体横向刚度偏弱，在车载作用下，刚架拱片之间竖向位移不一致导致横系梁受到剪力，同时微弯板对拱片产生推力，使横系梁受拉，在剪力与拉力的共同作用下，横系梁容易产生裂缝。

3 加固设计

3.1 加固方法比较

外包混凝土法是刚架拱桥传统的加固方法，可有效增大刚架拱片的截面抗力。但贺江一桥刚架拱片截面较小，如下页图2所示，原拱腿截面面积为0.25 m2，外包混凝土的面积为0.41 m2，为原拱腿的1.6倍，混凝土与钢筋消耗量大，经济效果较差。另外，外包混凝土强度未形成前，新增混凝土自重直接由原结构承担，刚架拱片有可能因负重过大而被破坏，施工安全隐患大。

图2 拱片外包混凝土示意图(cm)

粘贴钢板法对原结构尺寸和自重影响小，施工工艺简便，胶粘剂干固时间短，能较快参与结构受力。同时粘贴钢板加固效果显著，钢板与混凝土内钢筋共同受力，提高结构刚度、改善受力性能，也可防止已有裂缝的继续发展，抑制新裂缝的产生。因此，贺江一桥采用粘贴钢板法加固刚架拱片。

3.2 加固设计

针对桥梁结构强度和横向刚度不足的情况，加固设计采用粘贴钢板法提高刚架拱承载力，通过现浇整体式桥面板增强横向联系。加固设计细节如下：

(1)贺江一桥拱顶实腹段为弯压构件，以受弯破坏为主，因此，在跨中15 m范围实腹段底面粘贴8 mm厚钢板N1(见图3)，有效提高刚架拱片承载力，限制拱顶裂缝的产生与发展。

(2)外弦杆为受弯构件，内弦杆受弯同时还受到一定的轴力作用，桥梁超负荷运行时，外弦杆梁底更容易产生裂缝。因此，在弦杆梁底粘贴8 mm厚钢板N2、N3(见图3)，以提高承载力，限制裂缝发展。

(3)拱腿为直杆型矩形截面，向下部结构传递大部分水平力和竖向力，同时还传递较小的弯矩，属于小偏心受压构件。加固改造使桥梁恒载增加，需提高拱腿承载能力，因此，在拱腿上下两面粘贴8 mm厚钢板N5、N6(见图3)，钢板可抗拉、抗压，有效提高拱腿承载能力；同时增设环箍钢板N9，使混凝土处于三向受压状态，提高混凝土的抗压强度(见图4)。

图4 拱腿加固构造图(cm)

(4)斜撑为矩形截面，可以起到减小弦杆弯矩，分散拱腿轴力的作用，也属于小偏心受压构件，主要加固方式与拱腿一致(见图3)。

图3 拱桥加固一般构造图(cm)

(5)贺江一桥横向刚度较弱，横系梁中部出现竖向贯通裂缝，微弯板搭设在拱片上，未起到增强横向联系的作用，且对拱片产生不利推力。因此，采取拆除原桥桥面系及微弯板，重做整体现浇C40自密实桥面板的方式增强横向刚度(见图5)。现浇桥面板通过植筋与刚架拱片、横系梁连接，将各拱片连接成为一个整体，使各拱片共同受力，限制拱片侧向位移。同时，现浇桥面板与拱片组合成为“T梁”结构，拱片截面高度增加，有利于提高承载力。

4 内力计算

采用Midas Civil软件对贺江一桥建立梁格模型进行计算分析。该桥为重力式桥墩，抗推刚度大，可按单跨拱桥计算，其有限元模型如图6所示。计算时不考虑人行道、护栏对上构刚度的贡献，但计入部分混凝土铺装层的影响。考虑到实际施工质量及尺寸偏差等因素，本次计入10 cm厚混凝土层，其余8 cm厚的混凝土层、人行道和护栏仅考虑其质量对结构自振特性的影响。

图6 空间有限元模型图

(a)拱顶位置

粘贴钢板加固后，桥梁内力会有小幅度的增加，但加固截面的承载力得到了更大幅度的提升，从而达到加固效果。如表1所示，在基本组合下，各截面承载能力极限状态均能满足“城-B级”荷载等级要求。

表1 承载力极限状态验算结果表

5 加固后评估

5.1 静力性能评估

选取1#跨、2#跨作为试验桥跨，挠度测试截面布置内外弦杆最大正弯矩截面、L/4截面、L/2截面、5L/8截面、3L/4截面对应的桥面处，拱顶截面横桥向和竖向变形测点布置如下页图7所示。因篇幅限制，本次分析仅列出1#跨拱顶截面试验结果，其余截面测试结果类似。应变测试截面布置在拱腿、斜撑、大节点最大负弯矩处、内外弦杆、拱顶最大正弯矩处。拱顶截面横桥向应变测点布置如下页图8所示，其中4#拱片与7#拱片沿截面高度布置3个应变测点，验证钢板与原拱片混凝土的结合性以及加固后结构变形是否符合平截面假定。

图7 跨中截面挠度测点横向布置图(cm)

图8 跨中截面应变测点横向布置图(cm)

对跨中截面静载试验测试结果分析如下：

(1)如下页图9所示，在正载与偏载工况下，1#跨跨中截面挠度实测值小于计算值，符合计算值偏安全的要求，如后页表2所示，最大校验系数为0.881，表明加固后试验跨的整体刚度满足要求。

(2)如下页图10所示，正载与偏载工况下，1#跨跨中截面钢板应变实测值均小于计算值，如后页表2所示，最大校验系数为0.532，表明加固后试验跨的整体强度满足要求。

(3)如下页图11所示，加固后试验跨第4#、7#刚架拱片沿高度分布的应变实测值有较好的线性关系，符合平截面假定趋势，表明钢板与原混凝土结合良好，变形协调，粘贴钢板加固方法切实可行。回归曲线与Y轴的交点为截面的中性轴位置。

(4)如后页表2所示，最大相对残余挠度和残余应变均<20%，表明结构在试验荷载下处于弹性受力状态，受力性能良好。

表2 1#跨跨中截面静载试验结果表

5.2 动力性能评估

对动载试验测试结果分析如下：

(1)实测1#跨第1阶、第2阶竖弯频率分别为5.713 Hz、7.715 Hz，均大于理论计算频率4.271 Hz、5.731 Hz；实测阻尼比为0.760%～2.333%。

(2)如后页图12所示，在无障碍行车试验和制动试验时，1#跨和2#跨测试截面的最大动应变为67.04με。试验过程中未发现动应变急剧增加并在相当长的一段时间内保持很大数值的现象。

(a)正载挠度

(a)正载应变

(a)正载应变

(3)由无障碍行车试验动应变时程曲线计算1#跨实测冲击系数，冲击系数在0.010～0.192。如图12所示。

图12 车速为40 km/h时1#跨跨中截面各测点的动应变时程曲线图

6 结语

桥梁维修加固是延长桥梁寿命、节约建造成本的主要途径。针对刚架拱桥的构件尺寸偏小、整体刚度低的缺点，本文从其结构原理深入分析，采用了粘贴钢板法，合理减轻加固自重，静载、动载试验表明加固后桥梁实测强度、刚度与频率均优于理论计算值，能满足提载至“城-B级”的荷载等级要求，可为类似桥梁加固改造提供参考。