在役桁式組合拱橋承載力評估與加固方法研究

姚國文，陳 勇

(1.重慶交通大學山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，中國重慶400074;2.重慶交通大學土木建筑學院，中國 重慶400074)

1 預應力混凝土桁架式組合拱橋

1981年貴州建成了我國第一座預應力混凝土桁式組合拱橋——長巖大橋，主跨為75 m。1995年建成了世界上跨徑最大的桁式組合拱橋——江界河大橋，見圖1，跨徑達到330 m。桁式組合拱橋結合了桁架拱橋和T型桁架連續(xù)剛構橋的特點，具有造型雄偉、受力合理、跨越能力強、工程數(shù)量少等優(yōu)點;采用人字桅桿吊機作為吊裝工具懸拼施工，通過兩個鋼井架桅桿對混凝土梁、柱和板進行懸臂拼裝［1-2］，具有操作簡便、安全穩(wěn)妥、節(jié)省施工用鋼材等優(yōu)點。因此，桁式組合拱橋適合在經濟條件較差的西部山區(qū)建設。

經過30多年的運營服役，桁式組合拱橋在結構性能上的弱點逐漸凸顯，未曾預料到的諸多問題和病害在一些橋梁日益暴露，部分桁式組合拱橋出現(xiàn)不同程度的病害，嚴重影響了橋梁安全。其中少數(shù)桁式組合拱橋已被拆除，部分進行了加固改造，大部分桁式組合拱橋仍處于帶病服役狀態(tài)。

圖1 江界河大橋(1995年，主跨330 m)Fig.1 Jiangjiehe Bridge with span of 330 m(1995)

筆者對服役桁式組合拱橋技術狀況進行評估，采用靜力、動力載荷試驗檢測橋梁的承載能力，并針對橋梁典型病害提出對應的維修加固方法，進一步提出桁式組合拱橋設計與施工技術方面的改進建議。

2 承載能力檢測評估

2.1 典型缺陷與病害

近年來，多數(shù)技術狀況較差的桁式組合拱橋已經進行了檢測評估，筆者總結了6座主跨80～180 m的桁式組合拱橋病害檢查情況，有兩河口大橋、都格大橋、斯拉河大橋、花魚洞大橋、西溪干溝大橋和鹽津河大橋。它們典型的破壞模式和病害類型包括:

1)橋梁上下弦桿與腹桿、雙豎桿及短豎桿連接的節(jié)點部位出現(xiàn)了不同程度的開裂、混凝土剝落、鋼筋銹蝕，見圖2、圖3(a);預制板之間的現(xiàn)澆接頭開裂甚至斷裂，見圖3(b)?？缰袇^(qū)段底板、上下弦桿和箱梁的混凝土節(jié)點處存在大量縱向、橫向裂縫，見圖3(c)。剛性連接的接頭部位非常薄弱，部分施工質量較差，在活載反復作用下，節(jié)點處出現(xiàn)應力集中，導致混凝土開裂、鋼筋銹蝕，進一步導致拱圈縱向和橫向聯(lián)系減弱，抗彎剛度降低［3-4］。

圖2 預制桁架弦桿、接頭部位開裂嚴重Fig.2 Truss joints crack greatly between precast upper and lower chords，web members and vertical members

圖3 接頭、預制板與跨中區(qū)段底板混凝土開裂Fig.3 Cracks distribute over the cast-in-situ joints，the precast plates and the solid-web girder at midspan

2)鋼束預應力損失嚴重，部分預應力錨具暴露、銹蝕，見圖4，后張預應力管道灌漿欠壓而導致管道空心，預應力損失導致結構強度和承載能力降低［5］。

圖4 預應力錨頭暴露銹蝕Fig.4 Prestressed anchors exposed with rusted steels

3)跨中區(qū)段梁體明顯下?lián)?。都格大橋跨中截面下?lián)?1 cm，見圖5;鹽津河大橋跨中截面下?lián)?7 cm;其原因為混凝土開裂和預應力損失導致結構的剛度降低。

圖5 都格大橋跨中區(qū)段下?lián)?1 cmFig.5 11 cm Deflection of Duge Bridge

2.2 技術狀況評定

根據(jù)JTG/TH 21—2011《公路橋梁技術狀況評定標準》、JTG/TJ 21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，通過橋梁構件、部件、結構、全橋不同層次、采用先分部再綜合的辦法對橋梁技術狀況進行評定，多數(shù)桁式組合拱橋技術狀況等級為3級、4級。表1為6座桁式組合拱橋技術狀況評定結果與養(yǎng)護對策。部分5級橋梁如桂花大橋在運營8年后不得不拆除重建。

表1 6座桁式組合拱橋技術狀況評定結果與養(yǎng)護對策Table 1 Condition assessment of six trussed combination arch bridges

2.3 靜力、動力荷載試驗

對上述6座桁式組合拱橋進行靜力、動力荷載試驗，對橋梁結構的強度、剛度、動力性能進行檢測，對承載能力進行評估，見圖6、圖7。

靜載試驗表明，多數(shù)橋梁撓度校驗系數(shù)低于1，但部分應力校驗系數(shù)大于1，個別甚至超過1.5。應變記錄顯示出明顯的離散性，平均比率為1.5～3.8，貝塔系數(shù)高達 1.3［6］。試驗結果表明，桁式組合拱橋橫截面應力分布偏離了設計狀態(tài)，部分內力由拱肋或箱梁轉移至中板，接頭嚴重開裂、施工質量低等因素導致的結構整體性能較差是主要原因。

圖6 斯拉河大橋靜態(tài)荷載試驗Fig.6 Static loading test of the Sila River Bridge

圖7 都格大橋有限元模型與振型頻率Fig.7 FEM model and frequencies of Duge Bridge for static and dynamic loading tests

根據(jù)舊的設計規(guī)范要求，跨徑超過70 m的橋梁可以忽略沖擊效應。但是動載試驗表明，橋梁結構整體應變增大系數(shù)過高，部分截面高達2.37，見圖8。結構基頻、二階頻率與車輛荷載頻率接近，因此橋梁振動與車輛荷載產生耦合效應，過大的沖擊效應明顯削弱了橋梁的承載能力和安全儲備［7］。

圖8 應變增大系數(shù)隨汽車速度的變化曲線Fig.8 Curve of strains enlarged with truck velocity increasing

3 維修加固方法

3.1 病害維修加固對策

針對桁式組合拱橋典型病害，對結構損傷部位進行修補，對結構進行加固，以恢復橋梁結構的整體剛度，提高承載力與耐久性，消除安全隱患，延長結構的使用壽命。主要維修措施包括:

1)對接頭裂縫進行壓力灌注環(huán)氧膠修補處治，對混凝土剝落、露筋部位進行修補，以提高橋梁結構的整體性和耐久性。

2)對空腹段下弦采用增大截面、橫向體外預應力的方法進行加固［8］。部分構件混凝土內部存在空洞，為了提高構件受力的整體性，采用鉆孔高壓壓注改性環(huán)氧樹脂的方法進行處治。

3)跨中實腹梁段裂縫修補后，可以采用貼碳纖維布加固的方法，兩層碳纖維布縱向、橫向交錯布置［9］。

4)由于腹桿與下弦桿連接節(jié)點處開裂、混凝土澆筑質量較差，為了提高接頭連接性能，降低橋梁結構的沖擊效應，接頭處采用貼鋼板后外包混凝土的方法進行加固。為了提高黏貼鋼板與外包混凝土的連接，鋼板外側設置拴釘。

3.2 增大截面法加固拱圈

對于預應力混凝土桁式組合拱橋，桁架和拱圈共同承受荷載。與桁架節(jié)點裂縫相比，拱圈裂縫危害較輕，因此，部分內力從拱圈轉移到桁架。如果采用增大拱圈截面的加固方法，拱圈剛度和強度會得到提高，見圖9，增大拱圈截面加固后桁式組合拱橋接近于傳統(tǒng)的箱板拱橋［10］。另外，在拱圈空腹段設置后張預應力鋼束，進一步提高結構的整體性。

圖9 增大截面法與橫向預應力鋼束法加固拱圈Fig.9 Arch ring strengthened with the cross-section enlargement and transverse prestressed tendons

3.3 預應力錨索法加固跨中實腹梁

跨中截面實腹梁明顯下?lián)?，其原因包括混凝土開裂和預應力損失導致的結構剛度和強度降低。對于實腹梁段在跨中區(qū)段設置體外預應力錨索的方法是積極有效的，見圖10。4束預應力鋼束錨固在實腹梁和桁架的連接部位，然后進行預應力張拉［10］。設置的體外預應力錨索可以延緩實腹梁段的持續(xù)下?lián)?，改善結構動力特性并增加承載能力。

圖10 體外預應力錨索法加固實腹梁Fig.10 Solid-web girder at midspan strengthened with the external prestressed cables

4 討論

雖然桁式組合拱橋已不再新建，但其經驗教訓可為山區(qū)大跨徑拱橋的發(fā)展提供參考。首先，桁式組合拱橋沖擊效應顯著，這是一個嚴重的設計缺陷，現(xiàn)行設計規(guī)范對此進行了改進。其次，桁架節(jié)點等部位薄弱、施工質量低，導致應力集中、混凝土開裂情況嚴重。因此，應注重預制構件的連接問題。另外，貴州省是我國資源大省，煤炭和其他礦產等重型卡車運輸密度大，超載現(xiàn)象嚴重，對橋梁造成的損傷不容忽視。

5 結語

1)由于設計缺陷和施工質量等問題，在役預應力混凝土桁式組合拱橋存在桁架節(jié)點嚴重開裂、跨中實腹梁明顯下?lián)?、部分預應力損失等典型病害，危及到橋梁的安全運營。

2)荷載試驗表明，桁式組合拱橋橫截面應力分布明顯偏離設計狀態(tài)，結構沖擊效應顯著，大大削弱了結構的承載能力，部分橋梁評估為危橋，需要對其進行結構加固或降低荷載等級使用。

3)針對橋梁典型病害總結了對應的維修加固方法，接頭處裂縫修補、黏貼鋼板或CFRP以增強其結構整體性，拱圈增大截面、設置橫向預應力束以提高結構承載力和整體性，跨中區(qū)段增設體外預應力鋼束延緩梁體下?lián)喜⑻岣叱休d能力。

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