剛架拱橋病害分析及加固設計研究論文
剛架拱橋病害分析及加固設計研究論文
1工程概況
某剛架拱橋位於福建省一縣進出城口，屬國道上橋樑。橋全長59．6m，橋寬21m。上部結構:淨跨3．0m鋼筋混凝土矮肋板梁+淨跨50m鋼筋混凝土剛架拱+淨跨3．0m鋼筋混凝土矮肋板梁，主跨橫向佈設7片剛架拱片，拱片間距3．2m。橋面鋪裝連續，兩側橋頭各一處簡易伸縮縫。橋面系採用矢跨比為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(車行道)+3．35m(人行道)。下部結構採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，同時業主要求該橋改造後能夠滿足公路－Ⅱ級、人群3．5kN/m2的荷載要求。但是該橋無設計和竣工資料，需要對橋樑進行整體進行詳細的現狀調查、分析後進行相應的處理。
2橋樑現狀調查
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、欄杆、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，大小節點附近弦杆段存在個別裂縫，所檢裂縫最大寬度測讀值為0.25mm，未超過規範限值;拱肋有露筋鏽蝕現象;部分拱肋區域性存在孔洞、蜂窩麻面等表觀病害。
3)微彎板存在開裂現象，主要集中於跨中附近，所檢裂縫最大寬度測讀值為0.73mm，超過規範限值;微彎板存在大量露筋鏽蝕、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，超過規範限值。並有露筋鏽蝕、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，超過規範限值。
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，控制截面應變校驗係數在0.14～0.94之間，滿足校驗係數小於1.00的要求;所測測點的最大相對殘餘應變小於殘餘應變限值要求(20%);在各工況荷載作用下，各控制截面撓度校驗係數在0.39～0.94之間，滿足校驗係數小於1.00的要求;所測測點中的主要測點相對殘餘變形基本滿足的殘餘變形限值要求(限值20%)。
2)環境振動試驗實測振動響應訊號經試驗模態分析，該橋豎向實測基頻為5.00Hz，理論基頻為3.07Hz，實測基頻大於理論值，表明現狀橋樑實際剛度較大。
3)橋樑承載力評定結果根據橋樑缺陷狀況檢測結果、材質狀況與狀態引數檢測結果和荷載試驗結果對橋樑承載能力進行核算，該橋承載能力不滿足公路－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
為了解橋樑結構提載後受力情況，本工程結構分析採用橋博3.0程式建立平面杆系模型分別對邊拱肋和中拱肋進行計算。單片拱肋劃分為70個單位，其中三角剛架區24個單位，橋面單元為46個單位，拱角採用完全固結，邊支點採用豎向支撐，縱向滑動約束。
4病害原因分析
近幾年該地區交通量急劇增加，該剛架拱橋經過長時間運營，構件混凝土的開裂呈普遍現象，裂縫的產生有著各種各樣的原因，內部和外部不同原因的裂縫和不同類別的裂縫對結構的安全性和耐久性也有著不同的影響。
4.1微彎板
車輪荷載透過橋面鋪裝層作用於微彎板上，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化為彈性約束的變截面板進行承載力驗算，該假定方法與實際受力狀態相差甚大，且微彎板厚度僅設為60mm，因此大大降低了微彎板在實際工作中的可靠性。由於橋樑多年的使用，橋面鋪裝的破損，拱肋下撓、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支板，從而微彎板實際受力大大增加，超出設計範圍，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橫向聯絡
剛架拱橋的結構內力分析是根據平面杆系理論進行的，基本採用彈性支撐連續梁的'方法進行橫向荷載分佈分析，而後進行縱向橋樑內力分析。在實際工程應用中，往往很難模擬橫向聯絡的實際受力狀況，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線剛度，橫向連線剛度是透過橫系梁、橋面鋪裝層及微彎板進行連線，而這種連線透過多年剛架橋的使用可知，其剛度較弱。由於先天橫向剛度的不足，橋樑使用一段時間後，橫系梁逐漸出現開裂現象，橫系梁的開裂弱化了橫向剛度，出現更嚴重的裂縫，其裂縫基本形態為豎向貫通縫或斜向裂縫。同時在汽車荷載作用下出現振動現象，也使得橫向連線減弱，導致剛度降低。同時微彎板的側向水平推力作用也使得橫系梁處於橫向受拉，對橫系梁產生不利作用。因此，由於剛架拱的先天不足，導致橋樑過早的出現不同程度的病害，病害又導致橋樑橫向剛度降低，而剛度的降低加劇了構件的損傷、損壞，週而復始，造成橋樑使用年限大大縮短。
4.3拱肋
根據橋涵通用設計規範，進行恆載、汽車荷載、溫度荷載等組合，經結構分析可知，拱頂、拱角最大抗力不滿足內力需求;跨中、拱腿(與大節點連線處)、拱角、弦杆(與大節點連線處)等部分部位裂縫寬度大大超出規範的最大要求。同時，根據橋樑檢測報告可知，拱肋混凝土質量表觀差，表面粗糙、不平、區域性蜂窩麻面;大小節點部位配筋不合理，缺乏必要的構造抗拉鋼筋。因此，在橋樑使用過程在大小節點部位出現不規則裂縫，影響橋樑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的範圍內，拱肋下緣貼上U型鋼板，加配U型壓條，貼上鋼板採用環氧樹脂化學灌漿溼式外包鋼法施工。
2)大、小節點受力複雜，兩側貼上整體大鋼板，在橫系梁處斷開，方便安裝，貼上整體鋼板採用環氧樹脂化學灌漿溼式外包鋼法施工。
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，並將新增截面的連線鋼筋植入原結構，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鋼板焊接連線，並將該部分混凝土過渡平順。
4)對橫系梁下表面貼上鋼板條加固，側面上緣貼上鋼板，在拱肋處植入螺桿連線，增強橫向剛度。
5)拱肋弦杆上緣出現較多裂縫，計算也發現該部分結構承載能力富餘量較小甚至不足，為此採用在靠近弦杆上緣貼上鋼板條方法加固弦杆。
6)若配合整條路線改造，直接在橋面加鋪10cm瀝青混凝土，橋樑上將增加共250噸恆荷載，考慮原設計資料缺失，無法判定原基礎承載力富裕度，應考慮儘量不增加舊橋恆載;同時，根據檢測報告可以看出，微彎板及加勁肋存在較多裂縫，透過計算，原微彎板不滿足荷載要求。因此，考慮採用將原橋面鋪裝層銑剖掉2cm的磨耗層，綁紮鋼筋鋪設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，對微彎板表觀病害進行維修處理，採用壓力注膠封閉裂縫、鋼筋除鏽、聚合物砂漿恢復保護層等措施。再者在橋樑鋪裝6cm瀝青混凝土，橋兩端與整體路線平滑過渡。既解決了橋面板承載不足的問題，同時又使得舊橋恆載增加不多。
7)對所有寬度大於0.15mm的裂縫進行灌漿處理，灌漿膠採用優質A級環氧灌縫膠。對所有寬度小於0.15mm的裂縫，無論縫寬大小，在進行裂縫的灌漿過程中一併封閉。
5.2加固驗算
1)計算引數
驗算按照JTGD60－2004要求進行，汽車荷載採用公路Ⅱ級荷載標準，人群荷載3.5kN/m2。橋面鋪裝二期恆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。混凝土強度按檢測報告實測結果，恆載按改造後使用需要計取。對拱肋、弦杆、及大小節點節點處貼上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的應力滯後效應。
2)拱肋撓度計算結果
撓度計算結果如所示，計算結果表明，加固措施對橋樑的剛度有大大改善。3)拱肋控制截面強度計算結果經驗算現有的橋樑結構跨中強度基本能滿足承載能力極限狀態要求;拱腿大節點處、拱腳、斜腿腳及弦杆大節點處裂縫寬度不能滿足正常使用極限狀態要求。比較加固前後的計算結果，對橋樑的薄弱環節進行加強，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後，經加固後橋梁拱肋各截面承載力、裂縫寬度要求等均能滿足，並且有較大的富餘度。
6結語
本文針對某剛架拱橋的病害特點，結合目前諸多剛架拱橋的病害特點及加固處理經驗，進行本橋的病害分析和內力計算分析，找出該橋主要問題所在，提出提載後有效的加固處理措施，最後透過加固驗算，加固後橋梁大大提高了承載能力，滿足業主單位使用要求。
作者:鄭瑞生 詹德勇 黃婷婷 單位:福建省建築科學研究院 福建省綠色建築技術重點實驗室