增大截面法加固鋼筋混凝土拱橋分析

王俊華 方國強

(北京建達道橋咨詢有限公司，北京 100015)

橋梁加固補強的方法很多，但是基本上可以劃分為兩大類:第一類為改變結(jié)構(gòu)體系，調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力，減輕原梁負(fù)擔(dān);第二類為增大截面尺寸和配筋，加固薄弱構(gòu)件。針對不同的橋型，不同的加固位置可以采用不同的方法，也可幾種方法同時使用。增大截面法通過增大構(gòu)件的截面和配筋，提高構(gòu)件的強度、剛度及抗裂性能，從而實現(xiàn)對原有結(jié)構(gòu)加固補強的作用。

本文以一座鋼筋混凝土拱橋采用增大截面法加固改造為工程背景，對改造前后的橋梁性能進行分析比較，評析其加固效果。

1 舊橋簡介和評估

某橋為單孔凈跨90 m的鋼筋混凝土單室薄壁箱形截面懸鏈線拱橋，拱軸系數(shù)m=1.347，凈矢跨比為1/9，橋面實測寬度為7.6 m。拱上建筑由立柱、橫梁、縱梁和微彎板組成連續(xù)剛架式拱上結(jié)構(gòu)，箱形主拱圈寬5 m，高1.7 m，頂板為微彎板。施工方案采用轉(zhuǎn)體施工，于1986年建成。原設(shè)計汽車荷載為汽—15級、掛車—80級。2011年經(jīng)某檢測機構(gòu)檢測和評估評定為四類危橋。檢測到的舊橋主要病害如下:主拱圈拱腳至1/4跨徑范圍局部存在裂縫以及鋼筋銹蝕，拱上立柱出現(xiàn)大量裂縫，橋面鋪裝磨光、露骨，欄桿損壞、缺失。

2 加固設(shè)計方案

根據(jù)有關(guān)部門的要求，擬加固汽車荷載為公路—Ⅱ級。經(jīng)計算，原橋立柱、橫梁、縱梁等拱上建筑以及主拱圈均不能滿足公路—Ⅱ級汽車荷載作用下的承載能力要求。因此加固采用拆除原拱上建筑，用增大截面法加固主拱圈底板、頂板后，重新澆筑立柱及橋面板等拱上建筑。

經(jīng)綜合比選后采用如下加固施工順序:拆除原拱上建筑，修補主拱圈裂縫并處理鋼筋銹蝕部位，加固主拱圈(植筋并澆筑底板、頂板混凝土)，現(xiàn)澆拱上建筑，安裝護欄，澆筑橋面鋪裝。

3 結(jié)構(gòu)驗算與分析

文獻［1］規(guī)定，鋼筋混凝土箱板(肋)拱橋采用吊架方式增大主拱混凝土截面加固時，可采用下述2種方法進行主拱驗算:根據(jù)加固后的組合截面，按照文獻［2］相關(guān)規(guī)定進行主拱截面強度以及整體“強度—穩(wěn)定”驗算;按照文獻［2］相關(guān)規(guī)定，采用作用(荷載)標(biāo)準(zhǔn)值組合，根據(jù)應(yīng)力疊加計算的新舊混凝土組合截面上下緣不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力且壓應(yīng)力應(yīng)滿足下式要求:σa≤0.75fck。其中，fck為混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)值，按照文獻［3］取值。

根據(jù)實際施工過程，假定未拆除的原橋恒載以及新增拱圈混凝土均由原拱圈截面承擔(dān)，新建拱上建筑、新增拱圈收縮徐變、溫度活載以及汽車活載由新舊混凝土組合截面共同承擔(dān)。

3.1 結(jié)構(gòu)計算模型

根據(jù)文獻［2］規(guī)定，拱上建筑為梁(板)式結(jié)構(gòu)的拱橋的計算，不應(yīng)考慮拱上建筑與主拱圈的聯(lián)合作用。故主拱圈按照無鉸裸拱計算，拱圈加固計算模型如圖1所示。

圖1 主拱圈加固計算模型

3.2 主拱截面強度以及整體“強度—穩(wěn)定”驗算

主拱圈加固前后的截面強度以及整體“強度—穩(wěn)定”驗算詳見表1、表2。表中軸力N為最不利工況下包括恒載、考慮了沖擊的公路—Ⅱ級汽車活載、收縮徐變和溫度作用的軸力組合設(shè)計值。

表1 加固前后截面強度驗算

表2 加固前后整體“強度—穩(wěn)定”驗算

表3 加固前后原拱圈截面應(yīng)力驗算 MPa

增大截面法加固拱橋會增加拱橋承受的恒載，從而使得拱橋加固后軸力設(shè)計值比加固前有所增加。同時由于截面的增大，抗力也會相應(yīng)增加，從而使得加固后軸力設(shè)計值不會超過抗力。從表1，表2中可以看出，主拱圈加固前拱腳的截面強度不滿足規(guī)范要求，其余特征截面的截面強度以及整體“強度—穩(wěn)定”均滿足規(guī)范要求;主拱圈加固后主拱圈特征截面的截面強度以及整體“強度—穩(wěn)定”均滿足規(guī)范要求，且安全儲備比加固前要大。

3.3 原拱圈截面應(yīng)力驗算

主拱圈加固前后的原拱圈截面應(yīng)力驗算詳見表3。從表3中可以看出，主拱圈加固前拱腳的截面應(yīng)力不滿足規(guī)范要求，其余特征截面的截面應(yīng)力均滿足規(guī)范要求;加固后主拱圈特征截面的截面應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，且除拱腳截面應(yīng)力減小外，其余特征截面應(yīng)力均有所增大。增大截面法加固拱橋會增加原拱圈承受的恒載，從而使得原拱圈除拱腳附近截面應(yīng)力減小(這是由于局部加厚了拱腳附近的底板厚度)外，其余拱圈截面應(yīng)力均有所增大。

4 結(jié)語

通過對某鋼筋混凝土拱圈的有限元模型計算結(jié)果分析，從承載能力和應(yīng)力進行比較，證明了增大截面法加固拱橋是十分有效的。但是增大截面法會增加原拱圈截面的內(nèi)力、應(yīng)力，應(yīng)注意控制其大小。

［1］JTG/T J22-2008，公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］JTG D61-2005，公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.