顧長(zhǎng)青

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州 510507)

江門市荷塘西江大橋?yàn)榭缭轿鹘囊蛔鲁惺襟w外系桿拱橋。主橋上部為3跨下承式體外系桿拱。拱肋的拱頂段采用單肢等寬箱形截面，拱腳段采用雙肢等寬工字形截面，拱肋由單肢變化為雙肢時(shí)，設(shè)計(jì)上增設(shè)了一個(gè)過渡段，即單肢變寬箱形截面。

該橋于1999年8月建成通車，至今已經(jīng)經(jīng)過了近16年的運(yùn)營(yíng)使用。特別是近年來，隨著江門市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，過往車輛數(shù)量及重量不斷激增，橋梁各構(gòu)件出現(xiàn)不同程度的損傷。經(jīng)檢測(cè)，該橋技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為四類[1]，需對(duì)大橋進(jìn)行加固改造。

1 拱肋主要病害現(xiàn)狀

1) 拱腳面層混凝土出現(xiàn)大面積脫落破損，兩側(cè)拱肋近拱腳處上緣及側(cè)面均出現(xiàn)不同程度的混凝土開裂，下緣則出現(xiàn)邊角缺失、主筋外露并銹蝕現(xiàn)象。

2) 拱肋下緣普遍存在大面積的露筋銹蝕、混凝土破損、脹裂等現(xiàn)象。

2 拱肋結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

橋梁維修加固工程，其性質(zhì)與新橋設(shè)計(jì)有很大不同，只有通過反復(fù)和大量的分析計(jì)算，進(jìn)而了解結(jié)構(gòu)目前的力學(xué)狀態(tài)，找到病害的根本原因，方能達(dá)到加固設(shè)計(jì)的目的，因此，拱肋實(shí)際結(jié)構(gòu)的模擬是關(guān)鍵。

為了評(píng)價(jià)荷塘西江拱橋拱肋的運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，選以下3個(gè)工況對(duì)該橋進(jìn)行檢算：原結(jié)構(gòu)復(fù)算、考慮損傷折減后的計(jì)算、提高荷載等級(jí)計(jì)算。

2.1 計(jì)算模型

全橋采用3D空間桿系模型，考慮引橋?qū)χ鳂蜻吙绲氖芰τ绊懀?0 m+(3×110)m+50 m 5跨模型。全橋共20 305個(gè)節(jié)點(diǎn)、20 287個(gè)單元。見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算模型

主橋共分為3孔，其中1號(hào)孔為潮連岸側(cè)，3號(hào)孔為荷塘岸側(cè)。

2.2 原結(jié)構(gòu)復(fù)算

1) 按照原設(shè)計(jì)荷載原規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，選取3孔拱肋控制截面，按JTJ 023-1985 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《85規(guī)范》)驗(yàn)算。

根據(jù)《85規(guī)范》規(guī)定，拱橋橋跨大于70 m，沖擊系數(shù)取為0，其中L/4與L/8處截面負(fù)彎矩遠(yuǎn)大于正彎矩，且拱肋截面頂板配筋較底板弱，因此，這2處截面由負(fù)彎矩控制，承載力驗(yàn)算見表1。

由表1可見，拱肋截面均滿足承載力驗(yàn)算要求，拱腳截面與拱頂截面安全儲(chǔ)備較小，其中2號(hào)拱腳安全系數(shù)為1.01，1號(hào)拱頂截面安全系數(shù)為1.01。

表1 原結(jié)構(gòu)原荷載下拱肋主要截面承載力驗(yàn)算表

2) 考慮沖擊系數(shù)后驗(yàn)算。大量現(xiàn)有中下承式拱橋表明：中下承式拱橋動(dòng)力放大系數(shù)較大，如車速為25 km/h時(shí)，新龍怮大橋動(dòng)力系數(shù)為1.37；在三山西大橋跨中剎車時(shí)，動(dòng)力系數(shù)為1.36。

故本橋擬在原荷載基礎(chǔ)上考慮1.2的汽車動(dòng)力系數(shù)，此工況下拱肋承載力驗(yàn)算見表2。

表2 考慮1.2動(dòng)力系數(shù)后拱肋主要截面承載力驗(yàn)算表

由表2可見，若考慮1.2的動(dòng)力系數(shù)，拱腳截面與拱頂截面不能滿足承載力要求，其中3號(hào)拱拱腳安全系數(shù)為0.89，2號(hào)拱拱頂截面安全系數(shù)為0.78。其余截面的承載能力富余相較未計(jì)動(dòng)力系數(shù)的工況均有所減弱。

2.3 考慮損傷情況下的結(jié)構(gòu)計(jì)算

由于篇幅所限僅示出各參數(shù)取值結(jié)果，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)則》[2]及橋梁檢測(cè)報(bào)告[3]確定拱肋驗(yàn)算修正系數(shù)的方法，經(jīng)計(jì)算確定拱肋承載力惡化狀況評(píng)定標(biāo)度為E=1.74，環(huán)境條件取為干濕交替、不凍、無侵蝕性介質(zhì)，據(jù)此評(píng)定值確定承載能力惡化系數(shù)ξe=0.035。經(jīng)計(jì)算確定拱肋截面損傷狀況評(píng)定標(biāo)度為2.3，截面折減系數(shù)ξc=0.945，鋼筋截面折減系數(shù)ξs=0.93。在考慮結(jié)構(gòu)損傷的情況下，拱肋主要截面承載力驗(yàn)算結(jié)果見表3。

表3 損傷后拱肋主要截面承載力驗(yàn)算表

由表3可見，考慮損傷后，拱腳與拱頂截面承載力明顯不足，其中3號(hào)拱腳截面承載力安全系數(shù)為0.46，1號(hào)拱頂截面承載力安全系數(shù)為0.8，其余截面的承載能力富余也相對(duì)原荷載作用工況有所減弱。

2.4 提高荷載等級(jí)驗(yàn)算(公路-I級(jí))

提高荷載等級(jí)[4]后，計(jì)算結(jié)果見表4(軸力壓為負(fù)，彎矩下部受拉為正；拱腳及L/8跨徑處數(shù)值為單肢工型拱肋的數(shù)值，其他部分?jǐn)?shù)值為單肢箱型拱肋的數(shù)值。

表4 提高荷載等級(jí)后拱肋主要截面承載力驗(yàn)算表

由表4可見，提高荷載等級(jí)后，拱腳、拱頂及3L/8處的承載能力均不能滿足要求，其中3號(hào)拱拱腳截面承載力安全系數(shù)僅為0.5，2號(hào)拱拱頂截面承載力安全系數(shù)僅為0.6；另1號(hào)拱圈與2號(hào)拱圈L/4承載力也不滿足要求，說明提高荷載等級(jí)后拱肋承載能力大幅下降。

2.5 主拱拱肋受力分析

1) 該橋原設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級(jí)，掛-100級(jí)，在組合I、組合II、組合III荷載作用包絡(luò)下，該橋的拱肋截面承載力均滿足要求，但拱腳截面與拱頂截面安全儲(chǔ)備小。

2) 《85規(guī)范》中對(duì)于此跨度拱橋是不考慮動(dòng)力系數(shù)的，若考慮動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行拱肋截面驗(yàn)算，拱頂截面與拱腳截面均不滿足承載能力要求，相比原荷載設(shè)計(jì)工況下最不利拱肋截面安全系數(shù)下降22%。

3) 考慮損傷折減的情況，拱腳截面與拱頂截面不能滿足承載能力要求，相比原荷載設(shè)計(jì)工況下最不利拱肋截面安全系數(shù)下降54%。

4) 提高荷載等級(jí)后，拱腳截面、3L/8截面、拱頂截面及部分L/4截面不能滿足承載能力要求，其中最不利拱肋截面安全系數(shù)相對(duì)于原荷載設(shè)計(jì)工況下降50%。

結(jié)論：原設(shè)計(jì)拱腳截面、拱圈部分截面容易發(fā)生破壞，應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)維修加固。

3 加固設(shè)計(jì)方案

1) 對(duì)拱肋裂縫進(jìn)行封閉，對(duì)拱肋底板下緣破損露筋部位進(jìn)行鋼筋除銹后再對(duì)混凝土表面修補(bǔ)。

2) 對(duì)拱肋截面承載能力相對(duì)緊張的部位進(jìn)行加固，以提高結(jié)構(gòu)承載力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性。結(jié)合受力特征，加固部位擬定為拱肋3L/8-拱頂下緣、L/4附近上緣及拱腳區(qū)段。

其中：①拱腳加固，拱腳由于與墩帽固結(jié)，為增強(qiáng)聯(lián)系，擬采取增大截面法進(jìn)行加固，以便與墩帽聯(lián)結(jié)，提高整體性；②拱肋加固，粘貼鋼板加固。

4 拱肋加固計(jì)算

加固后橋梁驗(yàn)算采用JTG/T J22-2008 《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]進(jìn)行增大截面粘貼鋼板的截面加固驗(yàn)算。

4.1 加固后拱圈內(nèi)力計(jì)算

加固后拱圈內(nèi)力計(jì)算情況見圖2、圖3。

圖2 承載能力驗(yàn)算彎矩(組合I，II，III包絡(luò))

圖3 正常使用驗(yàn)算彎矩(組合I，II，III包絡(luò))

4.2 加固后拱肋承載力計(jì)算

以2號(hào)拱圈3L/8處截面粘貼鋼板為計(jì)算算例,拱圈截面驗(yàn)算結(jié)果匯總見表5。

表5 加固后拱肋主要截面承載力驗(yàn)算表

由于L/8處拱肋截面未做加固處理，故表5中未列出該處截面驗(yàn)算值。按上述措施加固，主拱肋加固后極限承載力基本滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

城市橋梁中拱橋分布較為廣泛，特別是近年來，隨著各地經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，過往車輛數(shù)量及重量激增，由于使用年限較長(zhǎng)，大部分構(gòu)件均出現(xiàn)一定程度的損傷，其中拱腳、拱肋的病害尤為突出，考慮到新、舊規(guī)范對(duì)荷載(動(dòng)力系數(shù))要求有所不同，因此，在對(duì)該結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)應(yīng)予以充分考慮，宜對(duì)新舊規(guī)范做受力分析對(duì)比，從而提出更有針對(duì)性的加固方案。采取增大截面法的加固方案對(duì)于提高拱肋承載力較為有效，在設(shè)計(jì)加固后拱橋除能滿足運(yùn)營(yíng)荷載的使用要求外，還有一定的安全儲(chǔ)備。