某刚架拱桥检测加固及承载力分析

黄海彬， 廖海峰

(1.宁波市城建设计研究院有限公司，浙江 宁波 315012； 2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430102)

0 引 言

钢架拱桥是我国常用的一种桥梁架构形式，在拱桥中占有很大比重。其具有强大的助推力保持结构稳定，并且还有自重轻、节省材料、施工简便、适应性强等优点，应用前景广，是一种值得推荐的桥型。在国内大部分地区都可以看见钢架拱桥的建构模式，有一些既有钢架拱桥由于建成年代比较久远，在当时技术不成熟、施工经验缺乏的情况下经过长期使用，车辆长期作用使桥梁产生损伤，出现了结构构件老化、材料强度降低等问题[1,2]。由于钢架拱桥自重较轻，其稳定性也比一般的桥梁更差，在出现损伤后更容易造成安全事故，严重影响了城市的交通发展和人民群众的生命安全。结合刚架拱桥的结构特点，通过对既有钢架拱桥承载力进行分析研究[3,4]，针对病害制定特定的检测加固方法，加强拱片的结构强度，可恢复桥梁使用功能，提高经济效益。

1 钢架拱桥外观检测病害及原因

1.1 桥面系病害

经检测，桥面系主要病害有桥面铺装出现破损、坑槽；护栏出现露筋、缺失；伸缩缝装置出现泥沙堵塞、桥面铺装层与伸缩缝装置之间出现高低差等。

桥面铺装的好坏关系着车辆能否安全舒适地行驶，桥面铺装的病害问题，会造成汽车行驶过程中驾驶员心情不佳，路面的不平整也会导致司机驾驶难度增加，容易引发交通事故。除此之外，铺面铺装的损坏还会导致汽车对桥梁的冲击强度增大，从而引发对桥梁整体结构的损坏，影响桥梁的使用寿命。

1.2 拱片病害

经外观检测，拱片病害主要有顶部出现裂缝、混凝土层剥落锈筋等，拱顶的裂缝主要是正弯矩引起的。由于车辆的频繁通过，产生较大的振动，钢架拱截面面积普遍较小，其承载能力较低，在汽车荷载长期作用下，拱圈整体性不断变差，从而出现拱顶附近的径向裂缝。早期建设桥梁时混凝土强度不够，桥梁设计承载能力较低，经过长期的自然因素破坏和车辆荷载冲击，混凝土结构强度降低，碳化严重，出现表面麻面、剥落、钢筋外露等现象，造成主筋截面损失，从而导致全桥整体下挠。

1.3 微弯板及横系梁病害

微弯板的主要病害有裂缝和混凝土破损，横系梁的病害主要是竖向裂缝。微弯板出现病害的主要原因是支承不均匀，其局部受力较大，桥梁微弯板本身配筋较少，在汽车荷载的作用下容易产生混凝土开裂损坏。由于桥梁横系梁和桥面铺装的破损，随着交通量的增大，在车辆荷载长期不均匀压力作用下，相邻拱片变形不协调，使得横系梁与拱片之间产生较大的应力，甚至导致横系梁焊缝开裂，桥梁的横向联系降低。

1.4 钢筋锈蚀病害

经外观检测，本桥拱片、拱脚以及横系梁等多处部位存在钢筋锈蚀病害，钢筋锈蚀病害产生的主要原因是桥梁使用年限较长，混凝土由于施工或自然因素等原因出现碳化现象，保护层厚度不够，造成钢筋受到侵蚀。钢筋锈蚀会造成混凝土结构力学性能发生改变，使钢筋与混凝土之间的黏结能力降低，钢筋发生体积膨胀并伴随抗拉强度降低，混凝土保护层被钢筋膨胀力胀破，造成混凝土有效截面减小。

2 刚架拱桥稳定性分析

在进行拱桥的稳定性分析时，通常将稳定问题分为两类。第一类稳定问题是指没有荷载偏心的拱桥承受荷载较大，超过其承载能力，拱桥失去原有的平衡状态产生纵向失稳或者横向失稳，结果导致拱的承载能力丧失。第二类稳定问题是指存在轴心偏压的拱在荷载作用下材料在达到塑性状态后被压溃，其变形是按由线性到非线性的规律发展的。一般情况下，拱桥失稳都是第二类稳定问题，其在整体失稳破坏之前，局部已经发生破坏，属于几何、材料双重非线性极值点问题，采用这一方法进行分析还有一定的困难，并且由于第二类稳定问题极值点的上限就是第一类稳定问题的求解值，在我国一般拱桥验算只分析第一类稳定问题[5,6]。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

某在役钢架拱桥建成年限较长，设计承载能力偏低，伴随着增长较快的交通量以及桥梁年久失修的状况，基于其基本数据，采用MIDAS Civil 2017空间桥梁专用软件进行有限元分析。桥梁全长20.258 m，宽10.95 m，技术标准为公路—Ⅰ级，双向二车道布置，计算行车速度为60 km/h，设计的荷载标准为汽超-20，挂-120。建立有限元模型，如图1所示，将结构离散化，全桥共划分为373个节点和374个单元。

图1 桥梁有限元模型

3.2 钢架拱桥静力分析

3.2.1 挠度分析

对计算结果进行分析时，取主拱圈中拱脚、拱顶、1/8点和1/4点进行挠度分析，并且取半圈拱进行计算即可。通过计算结果可知边跨拱的竖向位移较其他拱肋大，取第一条拱肋作为分析对象，结果见表1。(挠度向上为正)

表1 不同工况作用下各截面挠度值(单位：mm)

从结果看，本桥的最大挠度接近跨径的1/600，结构刚度已稍有不足。位移最大处为拱顶处，需对拱片进行加固处理。

3.2.2 承载力分析

对于本桥的承载力验算，主要是对其受力部位进行验算，验算部位有主拱腿拱脚及其顶部、次拱腿拱脚及其顶部、拱顶和实腹段端部。这些构件都是压弯构件，因此主要进行轴心受压和偏心受压验算。计算结果见表2。

表2 基于Z1拱片承载能力验算结果

3.3 分析结论

结合本钢架拱桥的挠度分析和截面内力分析可以看出，本刚架拱桥在车辆荷载作用下挠度较大，挠度最大处在拱顶，相对而言，拱腿和实腹段位移较小，随着荷载的增大，跨中处桥面板最容易产生塑性变形，并导致桥梁坍塌。

根据承载力分析结果，各部位均满足轴心受压要求，次拱腿拱脚和顶部不满足偏心受压要求，需尽快进行加固处理。

4 刚架拱桥加固改造方法

4.1 桥面铺装补强

对于桥面系的破坏和磨损，可以先凿除旧桥面铺装层，加铺一层新的钢筋混凝土，为提高桥面铺装强度，可铺设双钢混凝土，安装锚固钢筋与桥面钢筋网互相连接，之后再新浇混凝土。这种方式与浇筑普通混凝土相比，可提高桥梁承载能力和使用寿命。

4.2 主梁截面增强

钢架拱桥直接受力部位是桥梁的上部结构，其主要病害有桥梁裂缝、混凝土破损蜂窝麻面以及主梁承载能力达不到要求等，针对这些问题，可采用以下几种方法进行加固：

(1) 对于拱片的裂缝病害，可采用压力灌浆法将水泥浆和混凝土砂浆灌入裂缝中，从而修补桥梁裂缝；针对拱肋表面混凝土的蜂窝麻面，可喷射砂浆来填补混凝土的破损、缺失。

(2) 主梁的承载能力对桥梁的安全性至关重要，拱顶存在正弯矩经常导致截面产生裂缝，针对这种问题，解决的主要思路是加强拱肋从而增大梁的承载能力。常用方法有粘贴钢板加固、粘贴碳纤维布以及增大拱肋截面。粘贴钢板与粘贴碳纤维布步骤类似，但是碳纤维布可根据施工需要裁减所需要的形状和尺寸，不需要大型设备，工人可手工操作，施工相较于粘贴钢板方便快速；除了粘贴钢板和碳纤维之外，还可以通过增大主梁截面面积，首先凿除受损的混凝土表面，通过钢筋和混凝土外包梁体，从而提高拱片的抗弯截面，增大刚架拱桥的承载能力。

4.3 横向联系加固

刚架拱桥自重较轻，横向连接强度不够。加强横向联系刚度可增加横向系梁截面面积，通过新增横隔板或者施加横向预应力可提高桥梁整体横向刚度，提高其承载能力，但同时也会增加桥梁重量，施工的同时要考虑桥梁整体结构的稳定性；横系梁承载能力不足时可采用粘贴钢板法，粘贴碳纤维布法或者增大截面法处理，采用粘贴钢板法和粘贴碳纤维法加固时，要注意钢板或纤维布的尾端应锚固于拱肋上，施工的关键在于保证粘贴得牢固可靠。

4.4 拱腿加固

对于拱腿的加固，可以通过在拱腿四周外包钢或者碳纤维布进行加固，也可以采用增大截面法加固。

(1) 采用增大截面法进行加固时，首先要将旧混凝土进行凿毛处理，除去已经破坏松散的混凝土，使混凝土的结合面平整坚固，需控制植筋的钻孔深度，保证新旧混凝土结合牢固，并加强后浇混凝土的养护。

(2) 外包钢进行加固的优点有稳定性好、受力可靠，施工也较简便快速，在实际工程中有广泛的应用。进行外包钢加固要注意钢结构的焊接应连续平整，灌浆要保证达到一定的压力。

(3) 碳纤维质量轻、抗拉强度高、体积小并且性能稳定，是一种广泛应用于桥梁工程的加固材料。在进行加固时纤维布的方向应沿截面的环向进行，加固前应将拱腿四角修成倒圆角形状，防止应力集中造成纤维布破损。

5 结 论

刚架拱桥服役期间承载力是一种由强转弱的变化趋势，经外观检测，本刚架拱桥各部位老化严重，多个部位出现钢梁锈蚀、混凝土脱落和裂缝等病害。经有限元分析，本桥跨中处挠度值较大，次拱腿处偏心受压已不能满足要求，随着交通量的增大对承载力的要求不断提高，需要对桥进行整体的加固维修处理，以避免发生安全事故。具体加固维修措施如下：

(1) 由于桥面铺装损坏较严重，并且目前重车较多，将桥面铺装和附属设施进行拆除重建。

(2) 对于裂缝进行灌浆处理，将表面混凝土用砂轮机和钢丝刷打磨干净，去除灰尘和脱落的混凝土块后注入BL-SEAL浆液。

(3) 对于拱片将其上有混凝土破损的地方用结构修补胶进行修补，并将表层混凝土磨光使其平整，之后进行粘贴碳纤维布处理。

(4) 由于次拱腿偏心受压不满足要求，采用增大截面法加固。将次拱腿表面存在的缺陷清理干净，并进行凿毛处理，对原有钢筋进行除锈处理，逐根焊接新设受力钢筋，最后浇筑混凝土。