異型拱橋病害分析及改建方案優化設計

薛克遠

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，河南鄭州　450001)

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異型拱橋病害分析及改建方案優化設計

薛克遠

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，河南鄭州450001)

某異型拱橋在使用過程中混凝土系梁、拱圈、橫隔梁等構件出現不同程度的開裂現象，系梁豎向撓度過大，嚴重影響橋梁的使用安全。異型拱橋受力特性分析的結果表明，病害成因與構件尺寸、混凝土強度等級、剛度偏小以及接頭構造措施偏弱相關。借助空間有限元軟件，通過適當增加構件尺寸、提高混凝土等級、加強濕接縫的鋼筋連接等優化措施，可優化結構設計，避免病害的產生。

異型拱橋病害優化設計橋梁加固

異型拱橋作為一種新穎的橋梁形式，誕生于20世紀90年代初期。由于其結構各部位的材料能充分發揮其材料特性， 結構合理， 輕巧， 用材較省，再加上外觀奇特美觀， 適用面廣， 容易與周圍環境相協調，具有較強的競爭力[3]。鑒于上述優點，在當時國內市政道路中修建了多座同類橋梁。

受當時計算手段、材料性能及施工質量等因素的控制，加之日益加重的超載運輸等原因，該類橋型主要構件在使用過程中出現不同程度的病害，影響橋梁的正常使用和美觀。以安陽市東風路異型拱橋為背景，分析各種病害的成因，提出橋梁的改建方案，對上部結構和下部結構分別進行優化設計和加固處理，既滿足橋梁的使用要求，又維持橋梁作為城市標志性建筑的景觀需要。

1　工程背景

河南省安陽市東風橋跨越市區安陽河，北接化工路，南接東風路，是市區通往化工區干道上的一座大型城市橋梁(見圖1)。

安陽市東風橋全長125.66 m，主跨為2×59.72 m異型系桿拱橋，其“異型拱結構”為國際首創。該橋橋面全寬22.4 m，其中機動車道寬16 m，雙向四車道，兩側人行道各寬2 m，人行道與機動車道之間為1.2 m拱帶?！爱愋凸啊惫袄邽?0號鋼筋混凝土工字形截面，凈跨56.88 m，矢跨比1/4，吊桿為37絲φ7高強鋼絲束，斜率1∶1.25，每片拱肋布置吊桿12根，全橋共48根。每片拱肋下設置一道主梁，主梁為40號預應力鋼筋混凝土槽形梁，橫隔梁為30號鋼筋混凝土桁架，沿道路方向每2 m一個，斜交30°布置，兩端與主梁以濕接縫連接。橫隔梁之間鋪設16 cm厚預制混凝土橋面板，橋面板之間采用濕接縫連接。設計荷載等級為：汽車-20級，掛車-100。該橋梁1992年建成并投入運行，使用不足20年，系梁、拱圈及下部基礎發現大量裂縫。

圖1　東風橋總布置(單位：cm)

2　異型拱橋主要病害和成因分析

2.1拱肋

異型拱中墩拱腳處均發現斜向剪切裂縫，裂縫寬度約為0.2 mm，東、西側面對稱，并成45°發展。通過與歷史普查資料[1]對比，裂縫長度及寬度無明顯增加，裂縫發展趨于穩定。主要原因：拱腳處截面承受剪力較大，原設計該處截面尺寸和配置的抗剪鋼筋不足，導致斜裂縫的產生。

2.2吊桿

吊桿上錨端出現混凝土開裂，錨墊板、錨頭及鐓頭銹蝕，其余均出現不同程度的混凝土開裂，錨墊板銹蝕[2]。主要原因：吊桿上錨固端錨頭未做防銹處理，未設置鋼箱防護罩，且封錨混凝土施工質量不高，使得上封錨混凝土出現裂縫，雨水進入，引起錨墊板、錨頭及鐓頭銹蝕。

2.3主梁

預應力混凝土主梁梁身側面有大量豎向及斜向貫穿裂縫，主梁梁底有橫向裂縫，局部有混凝土破損開裂、白花、鋼筋外露及銹蝕。主梁高度為1 340 mm，梁身豎向裂縫長度多為600～1 000 mm[1]，部分已經超過主梁高度的一半。豎向裂縫寬度多為0.2～0.3 mm，已經大于規范[2]對于預應力混凝土構件允許最大裂縫寬度值0.1 mm的規定[1]。

主梁裂縫產生的原因主要有三點：一是該橋為斜交30°的斜橋；二是橋面板恒載以及活載通過橫梁傳遞到主梁上，由于橫梁產生撓曲，導致主梁向內側扭轉，而主梁為槽形截面，抗扭剛度不足，故產生扭轉裂縫；三是主梁的承載能力不足，出現豎向裂縫和主拉應力過大的斜裂縫。

由于橋面板出現裂縫，橋面積水通過裂縫滲透至主梁，而主梁施工質量不高，鋼筋的混凝土保護層厚度不夠，受水侵害，主梁鋼筋銹脹，故梁底局部出現破損、白花、鋼筋外露銹蝕現象。

2.4橫隔板

橫隔梁采用桁架式預制構件，在兩端與主梁預留鋼筋，現澆為整體。橫隔梁梁端的斜桿和豎桿節點部位普遍存在斜向、對稱、貫穿裂縫。其裂縫長度多為200～400 mm，裂縫寬度多為0.2～0.3 mm，裂縫寬度部分已經大于規范對于鋼筋混凝土構件允許最大裂縫寬度值0.2 mm的規定[1]。主要原因：①斜桿和豎桿節點部位受力較復雜，局部主拉應力過大，抗剪鋼筋配置不足，出現斜向裂縫。②由于橋面板出現裂縫，橋面積水通過裂縫滲透至橫隔梁，受水侵害，鋼筋銹脹，故梁底局部出現破損、白花等現象。

2.5橋臺

全橋共有南、北兩座鋼筋混凝土橋臺。報告普查結果顯示[1]，橋臺帽梁支座附近斜裂縫明顯，裂縫寬度已經大于規范限值，帽梁跨中出現不同程度的豎向裂縫。成因分析：橋臺支座附近的斜向裂縫主要是由于該鈍角處支反力較大，而原設計蓋梁截面尺寸和配置的抗剪鋼筋不足，且未配置彎起鋼筋和斜筋。橋臺蓋梁中部附近處的豎向裂縫主要由橋臺基礎的不均勻沉降引起。

2.6橋墩

全橋共設1座雙薄壁矩形橋墩，報告普查結果顯示[1]，橋墩南、北側面均有豎向貫通裂縫，裂縫寬度最大處達3 mm，已經大于規范限值。裂縫從橋墩頂部往下發展，一直延伸到水面。橋墩西側面有大量橫、豎向裂縫，裂縫寬度為0.5 mm左右，已經大于規范限值。成因分析：該裂縫是由于橋墩基礎產生不均勻沉降，墩身兩側沉降大于中央，引起墩身中央因負彎矩而產生自上而下的延伸豎向裂縫。

3　設計優化措施

采用有限元軟件進行空間分析，發現橋梁結構存在的主要問題，通過調整截面尺寸，優化鋼筋配置等措施，提高結構的承載力和整體剛度，使其滿足使用要求。其主要優化設計措施為：

(1)適當增加系梁梁高，采用實體截面，增大系梁抗扭剛度和豎向剛度。

(2)適當加大拱圈截面，尤其應加強陡拱側拱腳抗剪承載力，增大拱圈的豎向剛度。

(3)采用空間結構分析，優化拱圈鋼筋和系梁預應力鋼束的配置。

(4)優化橫隔梁截面尺寸，加大橫隔梁與系梁現澆接頭的長度，保證預制構件連接牢固，提高系梁和橫隔梁的整體性。

(5)加強吊桿上下錨固端防銹措施，提高錨固端混凝土密實性，增設上錨固端鋼箱防護罩。

(6)加強施工過程質量控制。

(7)重視吊桿等鋼構件的防銹和保養工作。

4　改造方案研究

安陽市東風橋以其獨特的造型成為安陽河上美麗的風景線，也是安陽市的標志性建筑，橋梁加固以維持原有橋梁造型為前提。提出橋梁改建方案：即上部結構全部拆除重建和下部結構加固方案。

4.1上部結構全部拆除新建方案

東風橋上部結構全部拆除，維持原橋型橋面布置、孔徑、矢跨比等指標，根據計算分析對橋梁主要構件進行優化設計[4，8]。

系梁：截面高度由1.34 m增加到1.6 m；混凝土等級由40號混凝土改為C50混凝土，截面類型由槽形截面改為實心梯形截面，按照全預應力構件配置鋼束。

拱圈：截面仍采用工字形截面，截面高度由1.5 m增加到1.6 m，腹板厚度由0.3 m增加到0.6 m，混凝土等級由40號混凝土改為C50混凝土，拱腳采用矩形截面，長度由1 m增加到3 m，加強系梁與拱腳的鋼筋骨架。

吊桿：吊桿對數和斜率仍維持不變，共12對(一孔)，吊桿斜率1.25，吊桿鋼絲材料由37φ7碳素鋼絲改為PES61φ7平行鋼絲。

橫隔梁：橫隔梁間距沿縱向仍為沿2 m一道，結構形式由桁架式混凝土結構改為矩形混凝土結構，梁高由1.34 m增加到1.4 m。

橋面板：加強橋面板之間現澆縫的鋼筋連接，混凝土等級由30號調整為C40混凝土。

接頭處理：加強橫隔梁與系梁之間鋼筋連接，現澆段混凝土等級由40號調整為C50混凝土。

4.2下部結構加固方案

橋臺：帽梁寬度由2.8增加到3.05 m，增設抗剪鋼筋骨架，考慮到橋臺基礎的不均勻沉降已趨穩定，對樁基礎周圍進行壓力注漿加固。對既有裂縫采用裂縫修補膠進行封閉處理。

橋墩：雙薄壁墩進行增大截面套箍加固，單肢壁厚由70 cm增加到120 cm，增設橋墩環向鋼筋，提高橋墩整體性；為避免混凝土振搗不密實影響加固效果，內腔頂2 m范圍內采用粘貼鋼板加固，鋼板條沿橋墩橫向布設，2道/m，鋼板厚5 mm，壓條鋼板采用U形布設，1道/m，鋼板厚3 mm。鋼板粘貼采用高強螺栓定位，壓力注射鋼板膠施工。

樁基礎：主墩下方新增4根1.5 m鉆孔樁基礎，提高樁基承載力(見圖2)。

圖2　主墩加固示意(陰影為加固部分)(單位：cm)

4.3改建后效果分析

通過空間有限元模型提取各構件截面內力，根據公路鋼筋混凝土和預應力混凝土設計規范進行配筋(預應力鋼束)配置，經計算，各構件力學性能滿足規范要求[9](見圖3)。

圖3　異型拱空間有限元模型

承載能力極限狀態驗算見表1。

表1　承載能力極限狀態驗算結果　kN·m

正常使用極限狀態驗算見表2。

(1)吊桿檢算

吊桿安全系數均大于3，滿足規范對吊桿抗拉安全系數不小于2.5的要求[10]。吊桿考慮車輛活載作用下引起的疲勞應力幅，疲勞應力幅均小于150 MPa。

(2)主拱整體穩定檢算

通過主拱穩定計算分析，計算橋梁臨界荷載為298.7 kN/m，安全系數為3.5，滿足主拱整體穩定安全系數不小于1.8的要求。為安全起見，在不影響美觀的前提下，兩拱圈之間設置三道風撐[5，8]。

表2　正常使用極限狀態驗算結果　kN·m

注：負值代表壓應力，正直代表拉應力。

(3)下部結構

下部結構通過增大截面法、粘貼鋼板法及補加樁基礎等加固方法[7]，帽梁和主墩各截面應力、基礎變形、樁基承載力滿足規范要求[10]。

5　施工工序

異形拱橋作為梁拱組合體系，應嚴格按照施工步驟進行科學施工，加強施工監測，確保達到設計目的[6](見圖4)。

圖4　異型拱改造方案施工步驟

[1]武大珞珈工程結構檢測咨詢有限公司.河南省安陽市東風橋橋梁現狀及靜動載試驗檢測報告[R].武漢：武大珞珈工程結構檢測咨詢有限公司，2010

[2]上海同豐工程咨詢有限公司.安陽市東風路東風橋吊桿技術狀態專項檢測報告[R].上海：上海同豐工程咨詢有限公司，2013

[3]李生智，王瑋瑤，鄔妙年.異型拱橋[M].北京：人民交通出版社，1995

[4]曾革助.鋼筋混凝土異型系桿拱橋合理成橋狀態與合理施工狀態研究[D].長沙：長沙理工大學，2004

[5]王瑋瑤，李生智，陳昌科.異型系桿拱橋[J].中國公路學報,1996，9(1):49-50

[6]陳鎖.簡支系桿拱橋施工過程分析[J].鐵道勘察，2015(3)：130-134

[7]李洲.石太線拱橋包打加固方案比選[J].鐵道勘察，2015(5)：50-54

[8]肖雄杰.某異型系桿拱橋空間力學特性分析[J].橋梁建設，2012，42(1):60-66

[9]于向東，吳志花.東風橋檢算報告[R].長沙：中南大學，2013

[10]中交第一公路勘察設計研究院有限公司.JTG/T J22—2008公路橋梁加固設計規范[S].北京：人民交通出版社，2008

Analysis of Deterioration and Optimal Design of Reconstruction Scheme of Special-Shaped Tied-Arch bridge

XUE Keyuan

2016-01-22

薛克遠(1984—)，男，2010年畢業于蘭州交通大學橋梁與隧道工程專業，碩士，工程師。

1672-7479(2016)02-0110-04

U448.22； U448.72

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