莫定旭

【摘 要】以塔山灣大橋加固項目為工程背景，詳細分析了鋼筋混凝土肋拱橋常見的特征病害及病害成因，并根據(jù)檢測評定結果建立了符合橋梁實際狀態(tài)的有限元模型進行了檢算，為后續(xù)的加固維修設計提供參考數(shù)據(jù)。根據(jù)分析結論及大橋現(xiàn)狀對塔山灣橋進行加固設計，最后通過加固后的荷載試驗對實際加固效果進行評定，說明了所選加固方法的有效性。

【關鍵詞】鋼筋混凝土肋拱橋；特征病害；加固設計；荷載試驗

1 概述

鋼筋混凝土肋拱橋橋型于上世紀六十年代在湖南湘潭誕生，七十年代初，全國各地進行了嘗試性的實踐，七十年代末至九十年代得到了廣泛的采用。該橋型曾一度以其跨越能力大、材料耗費少、工程造價低、施工難度低等明顯優(yōu)勢成為了橋梁工程師處理跨越“V”形、深“U”形河流、河谷的首選橋型。但是，由于在設計時，對結構體系和構造未考慮周全，對構件的計算模型簡化和工況模擬不盡合理；以及部分工程在施工中質量控制不嚴，養(yǎng)護及使用階段的檢測、維護管理不到位；加之部分橋梁的設計荷載標準偏低、運營時間較長、車輛荷載日益重型化以及汽車超載超速等各個方面的影響，相當部分的橋梁上部結構已經(jīng)不同程度的出現(xiàn)病害和損傷，危及了橋梁使用的安全性、舒適性和結構自身的美觀性、耐久性。因此，對鋼筋混凝土肋拱橋這些病害現(xiàn)狀、成因進行調查研究和分析總結已迫在眉睫。同時，也需要提出一套適用性強、技術先進、合理有效的處治加固技術，以盡快指導鋼筋混凝土肋拱橋舊橋加固和新橋建設實踐，從根本上保障人民生命、財產安全，促進社會經(jīng)濟發(fā)展以及公路交通行業(yè)的前進。

本文以川陜公路廣元嘉陵江塔山灣大橋維修加固項目為工程背景，將橋梁安全性評估理論、加固設計原則及方法應用于廣元嘉陵江塔山灣大橋的加固設計中，根據(jù)舊橋檢測數(shù)據(jù)建立有限元模型計算分析了加固前橋梁的承載能力，根據(jù)計算結果及大橋現(xiàn)狀進行加固設計，并利用荷載試驗評定了大橋加固后性能，說明加固方法的有效性。為同類橋梁的加固設計及安全性評估提供參考。

2 鋼筋混凝土肋拱橋常見病害分析及成因分析

2.1鋼筋混凝土肋拱橋常見病害

鋼筋混凝土肋拱橋同其他橋梁結構工程一樣，作為社會公共設施，必須具備足夠的承載能力、良好的工作性能、足夠的耐久性能和必須的整體穩(wěn)定性。經(jīng)對廣元嘉陵江大橋和龍洞背大橋及省內其他同類工程檢測、分析，歸納鋼筋混凝土肋拱橋主要常見病害有：橋梁行車響聲大，振動感強烈，余振時間較長，且多呈三維空間振動；橋面鋪裝橫向裂縫較多，拱肋不對稱變形，拱上縱梁裂紋較多，橋面鋪裝及人行道系潰爛嚴重，欄桿外傾及人行道、欄桿塊件掉落等。以上常見的病害現(xiàn)象可按如下分類：

1、按其損害性質不同，主要劃分為結構性能病害和工作性能病害。其中，結構性能病害常見發(fā)生構件包括：拱座和墩帽、拱肋、肋間連系梁、拱上立柱、拱上縱梁、橫置橋面板、橋面鋪裝層、人行道或安全帶；工作性能病害在橋梁整體、拱肋、橋面鋪裝、人行道欄桿系等部位都較容易發(fā)生。

2、按病害表觀形式分類主要有：裂縫類、變形類、結面類、表面損壞及局部破損等五大類。其中，裂縫是鋼筋混凝土肋拱橋的最常見病害現(xiàn)象，按產生時序可分為：早期裂縫、強度成長期裂縫、使用期裂縫等，按裂縫尺度可分為：微裂縫和宏觀裂縫。

2.2鋼筋混凝土肋拱橋病害成因分析

造成鋼筋混凝土肋拱橋病害的原因是多方面的。在設計時，對結構體系和構造未于周全考慮，對構件的計算模型簡化和工況模擬不很合理，這是目前鋼筋混凝土肋拱橋產生主要病害的客觀存在的重要原因；部分工程在施工中，質量控制不嚴；養(yǎng)護及使用期檢測、維護管理疏忽；加之部分橋梁的設計荷載標準低、運營期較長以及車輛荷載日益重型化等諸多方面的影響。根據(jù)對龍洞背大橋、塔山灣大橋等眾多肋拱橋的現(xiàn)場檢查、檢測、復算及部分工程加固、改造后復查情況的分析總結，其主要病害產生原因及機理如下所述。

1、鋼筋混凝土肋拱橋拱圈病害成因分析

在設計上，由于以往在進行此種橋型體系計算時，將空間桿系模型簡單的離散為平面桿系模型，未曾將肋間系梁作為結構受力構件進行設計。另外，對拱肋受力性質認識不準確，主要參數(shù)設定不盡合理也是導致拱圈病害的重要原因。由于在存在上述兩個方面的因素，加之在設計時忽略肋間因差異變形而產生的內力，致使拱圈強度不足、剛度不足，造成了嚴重的結構性病害。

在施工及運營管理時，由于在施工過程中，絕大多數(shù)拱圈是預制、現(xiàn)澆復合結構，

拱肋工地制作、安裝誤差一般都較大，現(xiàn)澆混凝土和接頭混凝土質量不易控制，頻繁振動和變形致使現(xiàn)澆混凝土與預制構件大多脫離，縱橫向連接構造被破壞，從而進一步削弱了肋拱的整體剛度和整體受力性能。另外橋梁基礎和墩臺的發(fā)生沉降造成了拱圈病害加劇，同時汽車超重、超載也降低橋梁結構的安全系數(shù)和使用耐久性。

2、鋼筋混凝土肋拱橋橫置橋面板病害成因分析

造成鋼筋混凝土肋拱橋橫置橋面板病害的主要因素主要包括設計強度和剛度嚴重不足、板間聯(lián)結強度不足，鉸縫施工質量差、支墊構造不合理等幾個方面。在以往橫置鉸接橋面板不僅考慮鋪裝層參與受力，且板塊受力分配系數(shù)通常取到了0.5至0.6，但鉸縫連接薄弱，一旦出現(xiàn)橫橋向裂縫，幾乎是單板受力。在車輛行進過程中，各相鄰板產生壓彎下?lián)虾突貜椬冃?，造成板間存在瞬時豎向相對位移，形成高差，從而產生沖擊荷載作用，增大荷載作用效應。橋面板間一般采用企口型鉸縫聯(lián)結，但因尺寸小，混凝土強度低，加上在澆筑混凝土時質量未達到設計要求，造成板與板間的荷載橫向傳遞不好，使單板受力增大，與設計預想的各板在牢固鉸接狀態(tài)下共同受力有非常大的差異；造成作用大于抗力因而出現(xiàn)裂縫甚至混凝土壓碎、斷裂。肋拱橫置車道板和縱梁的結合部通常采用砂漿墊層，砂漿的強度和韌性不足，加之，施工時很難控制水灰比、密實度和平整度，在橋面震動下脫落，從而形成多支點的現(xiàn)象或在支點處產生脫空的現(xiàn)象，導致橫置橋面板出現(xiàn)受力不均勻。

3、鋼筋混凝土肋拱橋墩臺病害成因分析

墩、臺帽在中部和拱腳附近常出現(xiàn)平行于橋軸線的裂紋和橋臺前墻拱座附近常見豎向平行裂縫往往是肋拱橋的墩、臺的特征病害。肋拱橋的兩個肋拱壓在墩、臺帽兩端，漿砌塊石墩、臺身局部受壓導致鋼筋混凝土中部承受負彎矩，上緣受拉；加上墩臺混凝土的收縮、徐變等時變效應以及溫度均引起墩臺帽中部受拉，導致抗拉鋼筋不足，從而出現(xiàn)開裂。

4、鋼筋混凝土肋拱橋其他病害成因分析

（1）橋梁振感強烈

整個拱上構造均為鉸支體系，不能參與共同作用，整體性較差。

（2）橋面鋪裝層易見損壞

鋪裝層普遍偏薄，干縮、安裝誤差、鉸縫破壞以及超載等因素均易導致鋪裝層破壞。

（3）人行道、欄桿系損壞

預制安裝構件連接構造設計薄弱，施工質量較差。

（4）拱上縱梁和立柱損壞

拱上縱梁一般在支點負彎矩處截面強度不足，造成截面上緣出現(xiàn)裂縫。少見的跨中截面下緣的裂縫同樣是截面強度不足。

3 塔山灣大橋加固前結構檢算

3.1工程概述

塔山灣大橋橋型總體布置為：引橋5×40米實心矩形雙肋鋼筋混凝土拱+主橋3×85米箱形雙肋鋼筋混凝土拱，全橋總長為530.52米。引橋主拱圈采用矩形斷面等截面懸鏈線鋼筋混凝土拱肋，雙肋用橫系梁聯(lián)結，拱軸系數(shù)m=1.347，凈矢高f=6.67米，矢跨比為1/6，截面高1.1米，單肋寬0.8米；主橋主拱圈采用箱形斷面等截面懸鏈線鋼筋混凝土拱肋，箱之間通過企口濕接縫聯(lián)結為整體，拱軸系數(shù)m=1.347，凈矢高f=12.143米，矢跨比為1/7，截面高1.5米，單肋寬2.8米，每肋為雙箱，箱頂厚度均為20厘米、箱底厚度為15厘米，為減輕吊重，板頂由10厘米預制混凝土和10厘米二次現(xiàn)澆混凝土組成。橋面系采用橫置裝配式車道板。橋梁長時間超負荷運營，且頻繁遭受汽車撞擊，上部結構病害及損傷較重。塔山灣大橋見圖3-1所示。

3.2塔山灣大橋結構檢算計算模型

利用大型橋梁結構分析專業(yè)計算軟件Midas/Civil建立了全橋結構空間有限元模型。模型采用梁單元模擬橋墩、拱圈、立柱以及橋面結構，采用實體單元模擬5號交界墩，利用板單元模擬拱頂部位橋面結構與拱圈的連接，全橋共計5753個節(jié)點，6725個單元。其中，梁單元4816個、板單元208元、實體單元1701個。全橋有限元模型如圖3-2所示。

根據(jù)分析結果初步確認根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范驗算，主拱圈拱腳位置在極限承載能力組合工況下的極限承載能力不足，85米跨縱梁的立柱頂部負彎矩區(qū)承載能力不足以及全橋整體穩(wěn)定性安全系數(shù)偏低，不能滿足使用要求。以上檢算結果給塔山灣大橋的加固維修工程提供了理論數(shù)據(jù)，使對橋梁的加固整治更有針對性和實效性。

4 塔山灣大橋加固及加固后性能評定

（1）3孔85米主橋拱肋加固

根據(jù)受力分析結果，在所有拱肋的拱腳處，拱肋的拱背加厚20厘米，做成40號鋼筋混凝土現(xiàn)澆層，并植筋錨固在拱座和原拱肋的拱背上，加厚范圍為拱腳至第一根立柱。

（2）5孔40米引橋拱肋加固

5孔40米拱橋的拱腳段均外包20厘米厚的40號鋼筋混凝土，并植筋錨固在拱座和原拱肋上，加厚范圍為拱腳至第一根立柱。

（3）拱上縱梁的加固

在縱梁的跨中底面均粘貼鋼板進行補強；對支點處縱梁頂面有裂縫和壓碎的結構先進行修補，用40號改性環(huán)氧砂漿對縱梁兩端壓碎的混凝土進行修補；對外露鋼板做防銹處理；全橋新增20道墊墻間系梁和32道縱梁間系梁，系梁均設在原伸縮縫兩側，通過植入鋼筋與拱頂墊墻或縱梁連接為一整體。

（4）立柱的加固

對三支點立柱應除去在立柱頂端被壓碎的混凝土、鋼筋除銹，再外包鋼板，并錨固在立柱頂端，以此作為模板，用40號改性環(huán)氧砂漿填充周圍空隙。并盡量消除支承面油氈，用高標號水泥砂漿壓注，消除三點支承。

（5）墊墻的加固

除去破碎混凝土，鋼筋除銹，用40號改性環(huán)氧砂漿修補，0.2毫米以下裂縫用衡壓灌注法灌注結構膠。

（6）橋面板的整治

拆除所有舊橋面板，新橋面板采取就地現(xiàn)澆。

（7）肋間橫系梁加固

對橫隔板混凝土質量較差的，應鑿除并與加強混凝土一并現(xiàn)澆，鋼筋銹蝕應先除銹。

（8）橋面系的整治

橋面鋪裝改成8到15厘米厚的40號鋼纖維混凝土，并加強橋面鋪裝鋼筋網(wǎng)，在橋面連續(xù)處應加密鋼筋網(wǎng)。重做欄桿系及伸縮縫，并增設橋臺搭板

4.2荷載試驗及加固后性能評定

在橋梁進行加固維修后，為驗證維修加固方法的合理性和有效性以及評定加固效果，對該橋進行了荷載試驗，荷載試驗選擇了最不利的85米邊跨作為試驗跨。主要試驗內容包括試驗跨拱腳截面最大負彎矩、四分之一截面最大正彎矩、拱頂截面最大正彎矩加載試驗。

根據(jù)實測應力數(shù)據(jù)分析結果，橋梁試驗跨在試驗荷載作用下拱肋的應力響應符合力學規(guī)律，橋梁結構承載力滿足設計要求；試驗荷載卸載后，各測點殘余應力率基本處于正常范圍，結構處于彈性工作狀態(tài)。

橋梁試驗橋跨豎向剛度滿足規(guī)范要求，且結構處于較好的彈性工作狀態(tài)?；炷廖窗l(fā)現(xiàn)肉眼可見的裂縫產生。實測沖擊系數(shù)明顯大于規(guī)范計算值。

5 結束語

綜上所述，我國早期設計的鋼筋混凝土肋拱橋出現(xiàn)的各類病害，主要是因為設計缺陷及施工控制較差，后期交通量及荷載水平均劇增，加劇了橋梁病害的產生及發(fā)展。大部分橋梁經(jīng)過加固后，提高了橋梁的承載能力及耐久性，加強了結構的整體工作性能，改善了橋梁的使用性能，延長了橋梁的服務水平及服務期限。

參考文獻

[ ]楊俊，王霜. 拱橋的病害機理與加固[J]. 重慶科技學院學報：自然科學版，2009

[2]廖碧海，王國鼎. 拱橋加固新方法的研究及應用[J] 公路，2009（10）

[3]廖碧海. 拱橋評估與加固的理論和實踐研究[D].武漢：華中科技大學博士學位論文，2009

[4]王振領. 既有鋼筋混凝土空腹式拱橋病害分析及維修加固方案研究[D]. 成都：西南交通大學碩士學位論文，2002

[5]李本偉，黃道全，謝邦珠. 橫置橋面板肋拱橋病害整治[C]. 中國公路學會橋梁和結構工程學會2003年全國橋梁學術會議論文集，2003

[6]侯發(fā)亮. 粘鋼加固技術在提高既有橋梁承載力上的應用[J]. 橋梁建設，2000

[7]周長曉. 大跨徑鋼筋混凝土拱橋承載能力分析方法的現(xiàn)狀[J]. 公路交通技術，1998

[8]張陽，邵旭東，李立峰. 混凝土箱肋拱橋加固改造方法探討[J]. 公路交通技術，2009

[9]張永智. 大跨度鋼筋混凝土拱橋維修加固施工控制及加固效果評估研究[D]. 重慶：重慶交通大學碩士學位論文，2010