文本摘要：該文在分析總結雙曲拱橋結構特點的基礎上，以大通河宏圖橋的加固改造為例，對雙曲拱橋的病害原因、加固技術和施工工藝進行研究，介紹了粘貼鋼板、粘貼碳纖維布、改變腹拱結構、加強橫系梁、改造橋面系等加固提載技術的綜合應用和施工工藝。
關 鍵 詞：雙曲拱橋、病害分析、加固提載、施工方法
雙曲拱橋是我國在總結古老拱橋技術基礎上發(fā)展而來的一種橋梁結構形式，這種橋梁具有結構新穎、輕巧、省料、便于施工、較高強度和穩(wěn)定性的特點，在上世紀六七十年代曾得到廣泛推廣。然而由于設計和施工經(jīng)驗不足以及其他種種原因，不少雙曲拱橋承載能力低，在使用一定時期后，就出現(xiàn)了不同程度的病害。隨著交通量和車輛載重的增加，橋梁存在著較大的安全隱患，同時現(xiàn)有橋梁一般位于交通咽喉部位，建設時占據(jù)了有利位置，推倒重建會長時間影響交通，且需要大量資金投入。因此正確分析橋梁病害原因，采取有效加固措施，該類橋還是可以繼續(xù)使用的。因此，對現(xiàn)有雙曲拱橋的結構性能進行檢測和評價并提出加固方案，對于保障橋梁結構安全、保障交通暢通都具有重要意義。
1、工程概況
大通河宏圖橋位于蘭州市紅古區(qū)河橋鎮(zhèn)，是連接連城鋁廠和當?shù)厝嗣衽c外交通的重要橋梁。該橋建始于上世紀六十年代末，1971年正式投入使用，設計荷載為汽-13，掛-60級，橋梁形式為4×45m上承式鋼筋混凝土雙曲拱橋，矢跨比為0.125，拱軸線為懸鏈線，全長192m，橋面寬8m，其中車行道6m，每側各1m人行道。主拱圈為六肋五波，拱肋斷面為矩形，250#鋼筋混凝土，橋墩(臺)為170#混凝土，基礎采用擴大明挖基礎，150#混凝土。橋址處年氣溫變化在-20℃~40℃之間，多年少雨，氣候干燥。橋梁概貌見圖1。要求加固后橋梁承載能力滿足汽車-20級、掛車-100的荷載標準。
圖1 原橋概貌
2、病害狀況及原因分析
2.1 病害狀況
通過進行表觀損傷檢查、混凝土強度測定、碳化深度測定和動靜載試驗等一些檢測，該橋梁主要存在著以下病害：
(1) 拱肋：全橋拱肋未發(fā)現(xiàn)有影響結構受力的病害，但均出現(xiàn)少量的縱向裂縫，裂縫寬1mm左右，局部鋼筋有銹蝕痕跡，混凝土脹裂、脫落比較嚴重，拱墻與拱肋連接處有破壞情況，平均碳化深度達到6mm，實測抗壓強度21.4MPa。
(2) 拱波、橫系梁：各跨拱波均有較嚴重破壞，其中第二跨~第四跨橫系梁有破壞，拱波中央出現(xiàn)縱向貫通裂縫，裂縫寬0.5~2mm，平均碳化深度達到6mm，實測抗壓強度15.7MPa。
(3) 腹拱圈及拱上側墻：腹拱結構破壞嚴重，許多腹孔及立墻上均有滲水痕跡，混凝土大片脫落，平均碳化深度達到8mm，實測抗壓強度15.1MPa。
(4) 橋臺(墩)、拱座：橋墩未發(fā)現(xiàn)有影響結構受力的病害，但均存在豎向裂縫，其中0#橋臺12條、1#橋墩28條、3號橋墩32條、甜橋臺130條，長度均在1~3m之間，但裂縫多為早期出現(xiàn)的，裂縫寬0.1~2mm，因年代較久，沿縫出現(xiàn)白色晶體析出物，平均碳化深度達到9mm，實測抗壓強度18.7MPa。
(5) 橋面系：橋面鋪裝層及排水系統(tǒng)完全破壞，人行道路緣石受機動車撞壓，破壞嚴重，人行道欄桿損壞嚴重。橋面的損壞加大了車輛通行時產(chǎn)生的沖擊系數(shù)，嚴重影響了大橋的使用和舒適性，也加劇了橋梁結構的破壞。
2.2 成因分析
根據(jù)既有橋現(xiàn)狀，綜合分析產(chǎn)生病害的成因主要有以下三個方面的原因。
(1) 設計方面的原因
該橋修建于上世紀60年代末期，在構造設計上反映了我國上世紀六、七十年代雙曲拱橋的設計特點，拱圈在構造上整體性不好，其中主拱圈剛度相差懸殊，極易產(chǎn)生縱向收縮裂縫，也不利于橫向撓度及內(nèi)力的傳遞，重車偏載時極易出現(xiàn)拱波頂縱向裂縫，而且由于拱肋和拱波、拱板混凝土標號差異較大，增加了混凝土收縮差和溫差內(nèi)力。拱肋與拱波、拱板間結合面過小，聯(lián)結構造太弱。該橋拱肋之間的橫向聯(lián)系薄弱，拱肋間橫系桿雖能滿足平衡拱波推力的需要，但剛度太小，屬半柔性構件，對拱圈橫向整體性作用甚微。
(2) 施工方面原因
該橋在施工時，由于受當時施工條件的限制，采用將拱肋預制安裝的無支架施工方法，在拱肋預制時由于預拱度預留不準確，拱肋安裝后拱軸線有偏離設計拱軸線的現(xiàn)象。
(3) 運營養(yǎng)護及后期交通量增長的原因
作為本地區(qū)交通線上的重要公路橋梁，該橋自建成以來承擔當?shù)亟^大多數(shù)交通任務，而且隨著經(jīng)濟的發(fā)展車輛向大型化發(fā)展日趨明顯，來往車輛日益增多。橋梁設計荷載為汽-13、掛-60級，即車隊中重車總重為200kN，而現(xiàn)有車輛遠遠大于設計荷載，雖然空腹式雙曲拱橋腹拱相對計算模型而言對主拱有一定卸荷作用，但長期的超載運行，勢必會對大橋的疲勞破壞加劇，加之后期運營過程中養(yǎng)護不及時，橋面設施和防水破壞嚴重，導致橋梁的承載能力降低，安全隱患是相當突出的。
圖2 早期雙曲拱橋常見的病害實例
2.3 荷載試驗
通過靜載實驗表明，該橋控制截面上各個測點上的應力基本上未出現(xiàn)異常變化情況，且實測值的變化規(guī)律和理論分析結果基本保持一致，實測最大拉應力為0.82MPa，實測最大壓應力為0.93MPa，均未超過規(guī)范規(guī)定的限值。通過動載實驗，實測頻率與理論頻率的比值在1.03~1.05之間，說明橋梁結構在豎向、橫向和縱向的動力剛度滿足設計要求，阻尼比的實測值為0.02195，小于《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中規(guī)定的0.5，由動應變算出最大動應力為1.28MPa，動應力未超過規(guī)定的最大拉應力1.55MPa。荷載試驗表明橋梁主要承載部位無結構性的損傷。
通過對該橋的計算分析，考慮安全同時兼顧長遠利益，通過對該橋進行全面加固，并依靠加固后該橋自身的結構來達到滿足通行汽車-20級；掛車-100荷載車輛是切實可行的，故決定本橋按舊橋加固利用并拓寬設計。
3、橋梁加固方案
3.1 加固設計原則
橋梁加固主要的目標是維持其正常運營，提高結構構建的耐久性，最大限度的提高橋梁的承載能力。該橋通過30多年的運營，在目前車輛大量超限超載的情況下，還沒有出現(xiàn)較大變形，說明該橋的總體承載力水平還是比較高的，但是長期的超載、超限運營也使大橋處于超負荷應力狀態(tài)(高應力狀態(tài))，盡快按現(xiàn)有通行車輛荷載等級要求進行加固是必要的，加固的設計原則為：最大限度利用舊橋結構，加固方案經(jīng)濟、合理，結構安全，施工方便。加固的具體范圍主要是：(1)拱肋及橫系梁；(2)橋面系及拱波、腹拱等；(3)拱腳裂縫及墩臺身裂縫等三方面。加固方案主要圍繞舊橋裂縫進行修補，補強主拱圈，加強橫向聯(lián)系，提高整體剛度的原則進行方案比選。
3.2 加固設計要點
雙曲拱橋加固補強方法很多，比較常用的有：(1)以錨噴或現(xiàn)澆混凝土方法增加拱肋受拉區(qū)鋼筋及加大拱肋斷面；(2)以鋼板粘貼加固拱肋等主要承重結構，并結合碳纖維補強拱波、立柱輔助承重結構等；(3)以體外預應力加固增強等；(4)鋼筋混凝土整體式板肋套拱等。以上方法均有各自的適用范圍，綜合技術、經(jīng)濟比較，根據(jù)此橋損害的特點，決定采用方法(2)加固本橋，即以鋼板粘貼加固拱肋，以提高承載能力；增強拱肋間橫系梁截面，以增加橋梁整體剛度。對既有拱波、腹拱及拱腳等應力集中、容易產(chǎn)生裂縫的部位采用碳纖維布補強，以提高橋梁耐久性。此方案既可解決既有構件裂縫露筋產(chǎn)生的鋼筋銹蝕問題，提高了橋梁結構的耐久性，同時拱肋粘貼鋼板后增加了構件受力截面，相應也提高了橋梁整體結構的承載能力。
3.2.1主拱圈加固
主拱圈是雙曲拱橋的主要受力部位，也是本次加固的關鍵，為改善拱頂、兩拱腳的受力狀態(tài)，采取對全橋拱肋底板粘貼6mm厚Q235a鋼板，拱腳的拱背上緣現(xiàn)澆5~20cm厚鋼筋混凝土，增大拱腳區(qū)段的截面剛度，改善拱腳、拱頂兩個控制截面的受力狀態(tài)，提高大橋的承載能力。拱肋加固前要先對原病害進行修補，鑿除銹脹混凝土，露出主筋，除銹，補焊主筋，用環(huán)氧混凝土恢復補焊鋼筋處的混凝土保護層，粘貼鋼板涂刷防繡漆。
3.2.2拱波加固
拱波裂縫采用必可法修補，先對裂縫采用注膠修補，再在表面沿橫向粘貼一層碳纖維布補強，封閉裂縫。碳纖維采用HT300-50，厚度0.167mm，重量300gc/m2，抗拉強度大于3400MPa，斷裂延伸率大于1.5%。粘結用膠與纖維布配套，正拉粘結強度大于3.0MPa。施工環(huán)境溫度在5℃~35℃范圍內(nèi)，相對濕度不大于70%。加固混凝土構件長期使用環(huán)境溫度不應高于62℃。
3.2.3橫系梁加固
對第二跨~第四跨橫系梁加固處理，增大斷面尺寸，增加鋼筋，改善受力條件。鑿除拱肋與橫系梁連接部分混凝土，露出鋼筋，補焊鋼筋，澆注混凝土。
3.2.4腹拱圈及拱上側墻加固
腹拱加固采用植筋掛鋼筋網(wǎng)澆筑混凝土法，即鑿除拱圈、拱墻和橫隔墻表面混凝土，露出主筋，再種植錨固鋼筋，布設鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)與種植鋼筋焊接，鋼筋網(wǎng)起到加強現(xiàn)澆部分混凝土、抑制橫向裂縫的作用。錨固短鋼筋植于拱肋和拱板中，加強了新、老混凝土的聯(lián)結；并增大結合面的抗剪能力，使新、舊結構共同變形；同時錨固短鋼筋起到了架立鋼筋的作用。混凝土表面涂界面劑，澆注8cm厚混凝土。
3.2.5墩臺、拱座加固
墩臺、拱座沒有嚴重損壞現(xiàn)象，主要是對橋臺(墩)、拱座裂縫采用必可法工藝注膠修補。
3.2.6橋面系補強，
由于橋梁橋面系破壞嚴重，維修時對原橋面鋪裝層全部拆除，澆筑20cm厚C30鋼筋混凝土，把簡支橋面轉(zhuǎn)為連續(xù)橋面，再做FYT系列防水層，鋪裝8cm瀝青混凝土面層。橋面鋪裝施工時做好排水系統(tǒng)和泄水孔。預制安裝懸臂式人行道板，加寬橋面，原鋼筋混凝土扶手更換為鋼欄桿。伸縮縫全部拆除，重做TST碎石彈性連接，橋頭補做鋼筋混凝土搭板。
3.3 加固計算分析
3.3.1計算模型
根據(jù)既有橋?qū)崪y數(shù)據(jù)，將主橋結構L=45m拱橋作為分析對象，主要用于縱向靜力計算，對其內(nèi)力、應力以及變形狀況進行分析。本模型采用通用有限元MIDAS/Civil程序進行計算。按照主橋的實際構造進行結構離散，共劃分單元398個、397個節(jié)點。計算模型見圖3。
3.3.2荷載組合
(1) 組合I：(正常使用極限狀態(tài)下短期效應組合)，見表1。
（2）組合II：(正常使用極限狀態(tài)下長期效應組合)，見表2。
(3) 組合III：(正常使用極限狀態(tài)下效應標準值組合)，見表3。
(4) 組合IV：(正常使用極限狀態(tài)下效應標準值組合)，見表4。
(5) 組合V：(承載能力極限狀態(tài)下)，見表5。
(6) 組合VI：(承載能力極限狀態(tài)下)，見表6
3.3.3內(nèi)力計算結果
內(nèi)力計算見圖4~圖6。
3.3.4截面檢算結果
將粘貼鋼板面積按照等剛度原則換算為直徑Φ25的HRB335鋼筋面積，主拱圈視為偏壓構件，依據(jù)現(xiàn)行公路橋梁設計規(guī)范，采用容許應力法，檢算加固后主拱圈控制截面強度。
(1) 主拱圈拱頂截面
a.恒載+汽車-20級
控制內(nèi)力：N=-12975.60kN，M=4277.65kN·m，L0=17.18m，
配筋情況：采用A g=52根Φ25，a g=0.22923m。
檢算結果：[N j m a x]=13562.7kN，滿足強度要求。
b.恒載+掛車-100
控制內(nèi)力：N=-12975.62kN，M=4649.33 kN·m，L0=17.18m，
配筋情況：A g=52根Φ25，a g=0.22923m。
檢算結果：[N j m a x ]=13470.9kN，滿足強度要求。
(2) 主拱圈拱腳截面
a.恒載+汽車-20級
控制內(nèi)力：N=-14652.15kN，M=2286.29kN·m，L0=17.18m，
配筋情況：A g=33根Φ25，a g=0.06 m。
檢算結果：[N j m a x ]=49706.7kN，滿足強度要求。
b.恒載+掛車-100
控制內(nèi)力：N=-14652.07kN，M=2895.35kN·m，L0=17.18 m，
配筋情況：A g=33根Φ25，a g=0.06m。
檢算結果：[N j m a x]=40261.9kN，滿足強度要求。
(3) 拱上小拱圈拱頂截面
a.恒載+汽車-20級
控制內(nèi)力：N=-223.96kN，M=165.96kN·m，L0= 2.0m，
配筋情況：A g=24根Φ16，a g=4.5cm。
截面檢算情況：滿足強度要求。
(4) 拱上小拱圈拱腳截面
a.恒載+汽車-20級
控制內(nèi)力：N=-751.21kN，M=-135.79kN·m，L0=2.0m，
配筋情況：A g=24根Φ16，a g=4.5cm。
截面檢算情況：滿足強度要求。
(5) 橋梁整體剛度
靜活載作用下主拱圈最大豎向位移為向下4.6mm，滿足剛度要求(見圖7)。
(6) 橋面板檢算
計算彎矩：M j=57.531kN·m；計算剪力：Q j=66.882kN·m。
經(jīng)檢算，在汽車-20級、掛車-100荷載作用下，橋面板正截面強度、斜截面強度及最大裂縫均滿足規(guī)范要求。
經(jīng)上述加固后橋梁理論承載力檢算結果可知，加固后橋梁承載力滿足汽車-20級、掛車-100的設計荷載要求，方案可行。
4、主要施工要點
4.1 施工安排
橋梁維修加固施工選擇在8月~10月份進行，期間當?shù)貧鉁卦?5~30℃之間，適合裂縫修補以及鋼板和碳纖維布粘結施工。加固施工前，中斷交通，拆除橋面欄桿、人行道和橋面鋪裝層，減輕橋梁恒載。
4.2 支架和工作平臺
橋梁一跨和二跨在河岸上，施工期間沒有水流，采用搭設滿堂支架法作為施工平臺；三跨和四跨下為主河道，水流湍急，采用橋面懸掛移動吊籃作為施工平臺。
4.3 必可法修補裂縫
裂縫修補采用必可法注膠工藝，灌縫膠選用Ha71(雙組份高分子聚合物)；用鋼絲刷清理表面雜物、浮漿、塵土，裂縫干燥后用Ha61快封膠將注膠嘴按間隔40cm粘在裂縫上，同時密封裂縫表面，再將灌注膠按比例配好，注入恒壓灌注器內(nèi)，從裂縫最低處的注膠嘴開始，相鄰上部注膠嘴灌膠溢出后封閉注膠嘴，依次注膠，最后用砂輪打磨裂縫表面。
4.4 碳纖維布粘貼
用角磨機將修補區(qū)域基面進行磨平處理，磨平到露出混凝土光面，并用空氣壓縮機將粉塵吹干凈，直至用手觸摸不粘灰為止。將底膠按比例配制并攪拌均勻。用短毛滾刷均勻涂抹在磨平部位，靜置5~7h，至手觸摸不沾手方可進行下一道工序。底膠干燥后，按比例拌和環(huán)氧膩子，并調(diào)和均勻，用膩子刮平工作面的坑槽，養(yǎng)生5~7h。用砂紙打磨一遍工作面，并用棉絲將粉塵擦拭干凈；按比例將底層樹脂進行拌和均勻后，用短毛滾均勻涂抹于工作面上；將碳纖維布按順序依次粘貼于工作面，并用消泡滾反復滾壓碳纖維布表面，使碳纖維布與工作面緊密結合，不至有氣泡存在；靜置30~60min在碳纖維表面再均勻涂一層浸漬樹脂。涂抹浸漬樹脂時，不得使粘貼的碳纖維布卷起；碳纖維在粘貼后，養(yǎng)護24h，不宜使碳纖維布受潮、受震，也不得受荷載直接沖撞碳纖維布表面；待樹脂初期硬化后，在碳纖維布表面涂刷一層碳纖維專用漆，其顏色和原來結構相同。
4.5 粘貼鋼板
拱肋粘貼鋼板前，先要補焊鋼筋和修補混凝土，清理混凝土表面。鋼板按設計尺寸下料，鉆注膠孔和排氣孔；表面除銹再做粗糙處理，用丙酮或酒精棉紗清洗表面。用膨脹螺栓將鋼板固定在拱肋底部，鋼板接頭焊接，用快封膠封閉鋼板四周，將注膠嘴粘貼在注膠孔，采用加壓注膠法依次從低向高處注膠。注膠后立即頂固鋼板，24h后方可拆除頂壓支架。
4.6 植筋掛網(wǎng)、澆筑混凝土
在拱圈植筋注意要避開原結構鋼筋，用電鉆鉆孔，孔深10cm，孔徑要大于要植鋼筋4 mm；用壓縮空氣清孔，吹干孔內(nèi)水分；用膠槍填膠至孔深的一半后將鋼筋插入膠孔固化。再將鋼筋網(wǎng)焊接在已植鋼筋。混凝土表面涂界面劑后，支模澆注混凝土。
5、加固效果
該橋通過加固前的荷載試驗明確了結構損害程度，加固時修補了損害部位，減少了主拱圈部分恒載，加強了橫向連接，改變主拱圈的剛度和受力狀態(tài)，改變橋面鋪裝結構和受力形式，提升了橋梁的承載力，經(jīng)結構計算，加固后的橋梁能夠滿足汽車-20級、掛車-100的設計荷載標準。本橋于2006年8月開始施工，2006年11月交付使用，至今使用狀況良好，經(jīng)檢測觀察，加固后橋梁的運營效果體現(xiàn)在：
(1) 車輛行駛橋上，橋梁無異常振動聲。
(2) 橋下觀察，橋體間無任何滲水現(xiàn)象發(fā)生；主拱肋及腹拱、側墻間干燥無潮濕跡象。
(3) 橫系梁與主拱圈或拱波與側墻間支承無脫空現(xiàn)象，支承更為密實，受力更為均勻合理。
(4) 由于主拱圈粘貼了鋼板，橋面采用整體現(xiàn)澆連續(xù)結構，并加強了橫向系梁的連接，使得結構剛度大大加強，橋面無明顯振動和擾度產(chǎn)生，平整度更佳。
(5) 橋面伸縮縫采用橋梁專用伸縮裝置及橋面防水處理，橋面行車無跳車現(xiàn)象，舒適度良好。
6、體會與建議
隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟高速發(fā)展，公路交通量和載重的逐漸增加，舊橋檢測和加固改造是目前面臨的一項重要工作，特別是對于上世紀修建的一些橋梁，采用合理的加固技術不僅能夠消除安全隱患，而且能夠改變使用性能。盡管每座舊橋的情況各不相同，各自特點不同，但也存在一定的共性。宏圖大橋的加固提載采用了粘貼碳纖維布、粘貼鋼板、改變拱腳截面形式、拓寬橋面、混凝土加固橋臺副孔拱圈等多種綜合技術，效果顯著。為橋梁尤其是雙曲拱橋的加固和拓寬積累了經(jīng)驗。
橋梁再次使用后，要限制通行車輛的速度和載重，保持正常車距；及時清除遺灑物和積雪等，保證橋面的清潔和排水暢通；經(jīng)常觀察加固部位的變化，并要定期測試主要受力部位的應力變化，確保使用期間的安全。
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