剛架拱橋病害分析及加固設計研究論文
1工程概況
某剛架拱橋位于福建省一縣進(jìn)出城口，屬?lài)郎蠘蛄�。橋全長(cháng)59．6m，橋寬21m。上部結構:凈跨3．0m鋼筋混凝土矮肋板梁+凈跨50m鋼筋混凝土剛架拱+凈跨3．0m鋼筋混凝土矮肋板梁，主跨橫向布設7片剛架拱片，拱片間距3．2m。橋面鋪裝連續，兩側橋頭各一處簡(jiǎn)易伸縮縫。橋面系采用矢跨比為1/16、厚6cm的微彎板及現澆混凝土填平層。橋面寬度為3．35m(人行道)+14．3m(車(chē)行道)+3．35m(人行道)。下部結構采用鋼筋混凝土組合式橋臺。為配合道路改造工程，該橋將在橋面上直接加鋪10cm瀝青路面，同時(shí)業(yè)主要求該橋改造后能夠滿(mǎn)足公路－Ⅱ級、人群3．5kN/m2的荷載要求。但是該橋無(wú)設計和竣工資料，需要對橋梁進(jìn)行整體進(jìn)行詳細的現狀調查、分析后進(jìn)行相應的處理。
2橋梁現狀調查
2．1主要病害
1)橋面鋪裝存在大量橫向裂縫、縱向裂縫;伸縮縫不平順;人行道板、欄桿、路緣石多處破損缺失;橋面排水不暢、積水;橋頭沉降造成搭板凹陷。
2)跨中拱頂附近存在較多裂縫，大小節點(diǎn)附近弦桿段存在個(gè)別裂縫，所檢裂縫最大寬度測讀值為0.25mm，未超過(guò)規范限值;拱肋有露筋銹蝕現象;部分拱肋局部存在孔洞、蜂窩麻面等表觀(guān)病害。
3)微彎板存在開(kāi)裂現象，主要集中于跨中附近，所檢裂縫最大寬度測讀值為0.73mm，超過(guò)規范限值;微彎板存在大量露筋銹蝕、裂縫、孔洞病害，嚴重的微彎板混凝土碎裂，導致橋面塌陷，詳照片。
4)橫系梁存在較多裂縫，車(chē)行道下部橫系梁尤為嚴重，所檢裂縫最大寬度測讀值為0.72mm，超過(guò)規范限值。并有露筋銹蝕、混凝土表面蜂窩麻面、剝落現象。
5)下部結構蓋梁受水侵蝕嚴重，有較多豎向裂縫，所檢裂縫最大寬度測讀值為0.35mm，超過(guò)規范限值。
2.2荷載試驗
1)靜載試驗靜載試驗按公路－Ⅱ級(考慮10cm瀝青鋪裝層)荷載等級進(jìn)行，靜載試驗荷載效率為0.86～1.01;在各工況荷載作用下，控制截面應變校驗系數在0.14～0.94之間，滿(mǎn)足校驗系數小于1.00的要求;所測測點(diǎn)的最大相對殘余應變小于殘余應變限值要求(20%);在各工況荷載作用下，各控制截面撓度校驗系數在0.39～0.94之間，滿(mǎn)足校驗系數小于1.00的要求;所測測點(diǎn)中的主要測點(diǎn)相對殘余變形基本滿(mǎn)足的殘余變形限值要求(限值20%)。
2)環(huán)境振動(dòng)試驗實(shí)測振動(dòng)響應信號經(jīng)試驗模態(tài)分析，該橋豎向實(shí)測基頻為5.00Hz，理論基頻為3.07Hz，實(shí)測基頻大于理論值，表明現狀橋梁實(shí)際剛度較大。
3)橋梁承載力評定結果根據橋梁缺陷狀況檢測結果、材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數檢測結果和荷載試驗結果對橋梁承載能力進(jìn)行核算，該橋承載能力不滿(mǎn)足公路－Ⅱ級、人群3.5kN/m2(加鋪10cm瀝青鋪裝層)荷載等級的使用要求。
3結構計算分析
為了解橋梁結構提載后受力情況，本工程結構分析采用橋博3.0程序建立平面桿系模型分別對邊拱肋和中拱肋進(jìn)行計算。單片拱肋劃分為70個(gè)單位，其中三角剛架區24個(gè)單位，橋面單元為46個(gè)單位，拱角采用完全固結，邊支點(diǎn)采用豎向支撐，縱向滑動(dòng)約束。
4病害原因分析
近幾年該地區交通量急劇增加，該剛架拱橋經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間運營(yíng)，構件混凝土的開(kāi)裂呈普遍現象，裂縫的產(chǎn)生有著(zhù)各種各樣的原因，內部和外部不同原因的裂縫和不同類(lèi)別的裂縫對結構的安全性和耐久性也有著(zhù)不同的影響。
4.1微彎板
車(chē)輪荷載通過(guò)橋面鋪裝層作用于微彎板上，形成較為直接的受力構件，原設計的微彎板計算模型為將微彎板兩端簡(jiǎn)化為彈性約束的變截面板進(jìn)行承載力驗算，該假定方法與實(shí)際受力狀態(tài)相差甚大，且微彎板厚度僅設為60mm，因此大大降低了微彎板在實(shí)際工作中的可靠性。由于橋梁多年的使用，橋面鋪裝的破損，拱肋下?lián)�、橫向偏移等，均造成微彎板支座端偏位，嚴重者使得微彎板變成兩端鉸結的簡(jiǎn)支板，從而微彎板實(shí)際受力大大增加，超出設計范圍，造成微彎板的破壞。本橋微彎板存在大量裂縫，且部分微彎板的塌陷，正是設計缺陷引起的。
4.2橫向聯(lián)系
剛架拱橋的結構內力分析是根據平面桿系理論進(jìn)行的，基本采用彈性支撐連續梁的'方法進(jìn)行橫向荷載分布分析，而后進(jìn)行縱向橋梁內力分析。在實(shí)際工程應用中，往往很難模擬橫向聯(lián)系的實(shí)際受力狀況，導致結構內力計算失真。彈性支撐連續梁法需要結構必須有足夠的橫向連接剛度，橫向連接剛度是通過(guò)橫系梁、橋面鋪裝層及微彎板進(jìn)行連接，而這種連接通過(guò)多年剛架橋的使用可知，其剛度較弱。由于先天橫向剛度的不足，橋梁使用一段時(shí)間后，橫系梁逐漸出現開(kāi)裂現象，橫系梁的開(kāi)裂弱化了橫向剛度，出現更嚴重的裂縫，其裂縫基本形態(tài)為豎向貫通縫或斜向裂縫。同時(shí)在汽車(chē)荷載作用下出現振動(dòng)現象，也使得橫向連接減弱，導致剛度降低。同時(shí)微彎板的側向水平推力作用也使得橫系梁處于橫向受拉，對橫系梁產(chǎn)生不利作用。因此，由于剛架拱的先天不足，導致橋梁過(guò)早的出現不同程度的病害，病害又導致橋梁橫向剛度降低，而剛度的降低加劇了構件的損傷、損壞，周而復始，造成橋梁使用年限大大縮短。
4.3拱肋
根據橋涵通用設計規范，進(jìn)行恒載、汽車(chē)荷載、溫度荷載等組合，經(jīng)結構分析可知，拱頂、拱角最大抗力不滿(mǎn)足內力需求;跨中、拱腿(與大節點(diǎn)連接處)、拱角、弦桿(與大節點(diǎn)連接處)等部分部位裂縫寬度大大超出規范的最大要求。同時(shí)，根據橋梁檢測報告可知，拱肋混凝土質(zhì)量表觀(guān)差，表面粗糙、不平、局部蜂窩麻面;大小節點(diǎn)部位配筋不合理，缺乏必要的構造抗拉鋼筋。因此，在橋梁使用過(guò)程在大小節點(diǎn)部位出現不規則裂縫，影響橋梁的結構承載力和耐久性。
5加固對策及驗算
5.1加固對策
根據檢測結果及上述病害分析，提出了主要處理措施，如下:
1)對拱肋跨中兩側各10m的范圍內，拱肋下緣粘貼U型鋼板，加配U型壓條，粘貼鋼板采用環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)灌漿濕式外包鋼法施工。
2)大、小節點(diǎn)受力復雜，兩側粘貼整體大鋼板，在橫系梁處斷開(kāi)，方便安裝，粘貼整體鋼板采用環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)灌漿濕式外包鋼法施工。
3)將拱腿全部和斜撐根部2.5m段外包混凝土加大截面;拱腿頂面、側面增加混凝土厚度15cm;在拱腳2.5m段區域內，將拱腿和斜腿連成整體。在拱腳新增截面上加強抗彎受力鋼筋，并將新增截面的連接鋼筋植入原結構，以保證新增截面能與原結構共同受力。拱腿新增截面縱向鋼筋與大節點(diǎn)鋼板焊接連接，并將該部分混凝土過(guò)渡平順。
4)對橫系梁下表面粘貼鋼板條加固，側面上緣粘貼鋼板，在拱肋處植入螺桿連接，增強橫向剛度。
5)拱肋弦桿上緣出現較多裂縫，計算也發(fā)現該部分結構承載能力富余量較小甚至不足，為此采用在靠近弦桿上緣粘貼鋼板條方法加固弦桿。
6)若配合整條路線(xiàn)改造，直接在橋面加鋪10cm瀝青混凝土，橋梁上將增加共250噸恒荷載，考慮原設計資料缺失，無(wú)法判定原基礎承載力富裕度，應考慮盡量不增加舊橋恒載;同時(shí)，根據檢測報告可以看出，微彎板及加勁肋存在較多裂縫，通過(guò)計算，原微彎板不滿(mǎn)足荷載要求。因此，考慮采用將原橋面鋪裝層銑剖掉2cm的磨耗層，綁扎鋼筋鋪設8cm厚C40聚丙烯纖維混凝土鋪裝層，使得新增鋼筋混凝土與原橋面板形成組合受力結構，共同承載受力;同時(shí)，對微彎板表觀(guān)病害進(jìn)行維修處理，采用壓力注膠封閉裂縫、鋼筋除銹、聚合物砂漿恢復保護層等措施。再者在橋梁鋪裝6cm瀝青混凝土，橋兩端與整體路線(xiàn)平滑過(guò)渡。既解決了橋面板承載不足的問(wèn)題，同時(shí)又使得舊橋恒載增加不多。
7)對所有寬度大于0.15mm的裂縫進(jìn)行灌漿處理，灌漿膠采用優(yōu)質(zhì)A級環(huán)氧灌縫膠。對所有寬度小于0.15mm的裂縫，無(wú)論縫寬大小，在進(jìn)行裂縫的灌漿過(guò)程中一并封閉。
5.2加固驗算
1)計算參數
驗算按照JTGD60－2004要求進(jìn)行，汽車(chē)荷載采用公路Ⅱ級荷載標準，人群荷載3.5kN/m2。橋面鋪裝二期恒載為原混凝土鋪裝層銑剖2cm磨耗層，加鋪8cmC40鋼筋混凝土鋪裝層，其上加鋪6cm瀝青混凝土鋪裝層�；炷翉姸劝礄z測報告實(shí)測結果，恒載按改造后使用需要計取。對拱肋、弦桿、及大小節點(diǎn)節點(diǎn)處粘貼鋼板的單元將鋼板等效為鋼筋加入單元截面，等效計算考慮0.9的應力滯后效應。
2)拱肋撓度計算結果
撓度計算結果如所示，計算結果表明，加固措施對橋梁的剛度有大大改善。3)拱肋控制截面強度計算結果經(jīng)驗算現有的橋梁結構跨中強度基本能滿(mǎn)足承載能力極限狀態(tài)要求;拱腿大節點(diǎn)處、拱腳、斜腿腳及弦桿大節點(diǎn)處裂縫寬度不能滿(mǎn)足正常使用極限狀態(tài)要求。比較加固前后的計算結果，對橋梁的薄弱環(huán)節進(jìn)行加強，提高了強度要求，減小裂縫寬度，增加了安全儲備，達到了加固效果。邊拱肋、中拱肋控制截面強度計算結果如所示;邊拱肋、中拱肋控制截面裂縫計算結果如所示。路面加鋪瀝青混凝土提載后，經(jīng)加固后橋梁拱肋各截面承載力、裂縫寬度要求等均能滿(mǎn)足，并且有較大的富余度。
6結語(yǔ)
本文針對某剛架拱橋的病害特點(diǎn)，結合目前諸多剛架拱橋的病害特點(diǎn)及加固處理經(jīng)驗，進(jìn)行本橋的病害分析和內力計算分析，找出該橋主要問(wèn)題所在，提出提載后有效的加固處理措施，最后通過(guò)加固驗算，加固后橋梁大大提高了承載能力，滿(mǎn)足業(yè)主單位使用要求。
作者:鄭瑞生 詹德勇 黃婷婷 單位:福建省建筑科學(xué)研究院 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室
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