结构体系转换在刚架拱桥加固中的应用

时间：2024-07-28

■张学霖

（福清市住房和城乡建设局，福州 350300）

刚架拱桥，兴起于20 世纪80 年代，由于自重轻刚度小，易于施工，经济性好等特点，得到广泛的应用。但随着交通量的提升，现役刚架拱桥在服役期出现了影响结构安全性、适用性和耐久性的病害，主要表现为：拱腿开裂、弦杆开裂、横系梁开裂脱落、桥面板开裂等。处置刚架拱病害主要的方法是在开裂处采用黏贴钢板或碳纤维板。这种头痛医头，脚痛医脚的方法，仅仅从局部构件考虑加固，没有从整座桥梁结构受力机理出发进行分析处置，容易造成加固后1～2 年又变成病桥。本研究区别于以往的加固方法，从结构受力机理出发，通过有限元分析增加结构构件并结合黏贴钢板的方法有效地解决了刚架拱桥的病害问题。

1 工程概况

福清清荣大道立交位于福清市西北部，是清荣大道与玉田线相交的立交工程，清荣大道为东西走向干道，西接福厦路，东面通向元洪码头。清荣大道主线主桥全长151.86 m，设计荷载为汽超-20，挂-120。主桥为42.42 m+42.44 m+42.42 m 三跨钢筋混凝土刚架拱，矢跨比1/8，桥面宽度：净21.5 m（行车道）+2×1.9 m（人行道）=25.3 m；下部结构采用重力式桥墩，扩大基础。基础持力层为强风化凝灰岩层，如图1 所示。

图1 福清清荣大道立交桥主桥立面图

2 病害情况

根据检测报告[1-3]该桥存在以下病害：（1）桥面铺装。各主跨桥面铺装粗骨料裸露较严重，同时各跨桥面均存在纵向通缝，纵向通缝主要位于第3#、4#、5#、6#主拱片对应的路面位置，同时在外侧行车道均较密集分布横向裂缝；17# 台顶非机车道路面沉降，长度范围约10 m，路面存在积水，同时行车道存在桥头跳车现象。（2）刚架拱存在较多的拱肋裂缝，典型的刚架拱拱肋裂缝分布如图2 所示。

图2 典型刚架拱片裂缝分布情况

2012 年8 月20 日17 时30 分，福清清荣大道立交桥主桥16 至17 孔（靠南侧半幅车道，距文光中学约50 m）第3、4 片拱片之间某一预制桥面板局部突然脆裂，碎块掉落桥底，所幸无人员伤亡。2016年4 月1 日17 时，市政巡查人员在道路巡视过程中，发现福清清荣大道立交桥主桥16 至17 孔第4、5 片拱片之间某一预制桥面板局部突然脆裂，梁端出现断裂。

3 病害产生的原因

经初步分析认为，病害产生的原因一方面是由于刚架拱桥属于轻型桥梁，在车辆荷载作用下冲击效应较大。现场调查发现该桥上弦杆与桥台连接处，在车辆荷载运行至桥梁跨中时，上弦杆和桥台支座存在轻微脱空的现象（图3），通过有限元软件分析显示该处支座存在负反力情况。该桥在长期使用过程中，上弦杆存在着当重车驶过其上部时被压下，重车开到跨中时翘起的长期反复运动，造成桥面同一位置简易伸缩缝处破损严重（图4）。同时由于存在这种现象，导致该桥使用阶段，刚架拱桥上弦杆不断受到冲击，上弦杆的结构受力模式从一边固结一边铰接的模式转变为悬臂杆件，同时承受比原先设想的受力模式更大的冲击力，有限元分析表明实际上弦杆在汽车荷载作用下的根部弯矩较原设计的弯矩增大了145%，即从594 kN·m 增大到1456 kN·m。直接造成上弦杆裂缝超过规定限值（0.25 mm），并有逐年加大的趋势。另一方面该桥桥面板采用的是微弯板（图5），板厚仅8 cm，微弯板简支在拱片上整体性较差，在上弦杆长期反复碰撞移动的过程中，微弯板支撑处逐渐脱离，导致2012 年8 月20 日掉落事故。同时，微弯板受力模式是通过盖板两端铰接在刚架拱片上形成两铰拱的结构体系，该体系要求两侧的刚架拱片不能发生水平位移，而现实情况刚架拱片的上弦杆在竖向来回移动的过程中水平移动也同时发生，这就造成微弯板受力模式从拱转变为梁的形式。由于微弯板根据拱模式配置的构造钢筋仅为直径8 mm、间距30 cm 的圆钢，因此无法承受变成梁结构的跨中弯矩，导致垮塌[4]。

图3 重车荷载造成支座脱空示意图

图4 支座轻微脱空处桥面状态现场

图5 微弯板构造图

4 刚架拱片加固的原则

根据清荣大道立交桥检测及计算分析结果，并考虑桥梁实际加固过程外界的交通状况及桥梁本身裂缝发展的实际情况，设计采用如下加固原则：（1）整体性原则。桥梁加固应从桥的整体性出发考虑问题，该桥加固原设想方案是在拱腿和斜杆处薄弱直接外包钢板加固，通过分析发现外包钢板后拱腿和斜杆局部位置内力增大较多，需要进一步增厚钢板，然而增厚钢板结果又增大了该位置及加固范围外构件的内力，这就造成了负反馈效应，越增加钢板数量越无法满足加固的要求，落入加固陷阱中。要解决这个问题需要从整体性出发，基于整座桥受力分析，另辟蹊径，尝试通过改变结构受力体系实现加固的目的。（2）基于现有状况原则。桥梁技术状况会随着时间的变化而改变，加固设计时应对现有的技术状况进行评估，通过先进的检测手段，获得桥梁的技术状况及参数，如现状混凝土强度、混凝土碳化深度、钢筋锈蚀情况、混凝土氯离子状况等，依据JTG/T H21-2011《公路桥梁技术状况评定标准》逐项确定评定标度，形成恶化系数，对理想状况下的桥梁构件承载能力进行折减，并通过有限元模型考虑折减系数，只有全面考虑各种状况的折减后，桥梁有限元模型方可模拟出真实的桥梁结构性能，分析出内力情况方可有效告[5]。（3）全过程模拟施工原则。因需加固的桥梁技术状况均较差，一般为D 类甚至E 类桥梁。加固时在病桥上施工，需进行全过程模拟，避免因工程车等重载加剧桥梁的病害甚至造成倒塌的事故，因此加固应通盘考虑，尽量减少对现有桥梁构件及其他结构带来二次损伤。

5 刚架拱片加固方案及加固效果

本工程采用结构体系转换方法（图6），从病根上铲除病害，起到治本的效果。具体如下：通过增设矩形钢管作为竖杆，该竖杆在重车通过时为受压构件，重车行至跨中时为受拉构件，这样可以使得上弦杆不会在车辆荷载作用下上翘，上弦杆受力模式回归接近原设计设想。该竖杆设计的难点在于：一是当竖杆受拉时如何保证拉力的有效传递。本工程采用在上弦杆黏贴钢板的方法传递竖杆拉力，在上弦杆上对裂缝进行注胶封闭后，黏贴钢板可以增加上弦杆的强度，同时也提高了上弦杆的刚度；二是竖杆底部如何与拱腿、斜撑可靠连接。本工程方案是结合拱座黏贴钢板，采用大钢板把刚架桥的斜撑和拱腿一起保护起来，同时在斜撑、拱腿、拱座间隙处填充环氧树脂混凝土，且把竖杆埋入环氧树脂混凝土中，并采用钢构件与两侧的大钢板焊接成整体共同受力。这个方案在增加拱腿和斜撑的刚度和强度同时，减少了该桥计算跨径，有效地兼顾了增设竖杆和处置拱腿开裂导致刚度下降的问题。

图6 上弦杆下部增设竖杆加固图

建立如图7 所示的加固前有限元模型和图8加固后有限元模型[6]，加固前桥梁轴力及弯矩如图9、10 所示，加固后桥梁轴力及弯矩如图11、12所示。对比加固前后最大轴力基本保持不变，加固前弯矩最大值为6430 kN·m 降低到5330 kN·m，表明加固的效果良好。加固后加劲竖杆如图13 所示，对比加固前后桥梁的检测结果，该桥动力性能得到极大的改善，理论自振频率由3.14 Hz 提升至3.88 Hz，实测自振频率由3.52 Hz 提升至5.47 Hz，反应结构刚度得到有效的提高。图14 为加固前实测频谱图，图15 为加固后实测频谱图，图16 为加固前后实测振形图，图17 为加固前理论振形图，图18 为加固后理论振形图。加固后检算结果表明：设计荷载作用下，检算构件控制截面的荷载效应与抗力比值均小于1，主桥上部结构承载能力满足设计荷载（汽车-超20 级，挂车-120；人群3.0 kPa）作用下的使用要求。加固前桥面病害及加固后3 年后原位置修复效果现场照片如图19 和图20 所示，从外观看加固使得原病害消失，加固效果良好。

图7 加固前有限元模型

图8 加固后有限元模型

图9 加固前的刚架拱片轴力图

图10 加固前的刚架拱片弯矩图

图11 加固后的刚架拱片轴力图

图12 加固后的刚架拱片弯矩图

图13 加固后的竖杆立面图

图14 加固前实测频谱图

图15 加固后实测频谱图

图16 加固前后实测振型图

图17 加固前理论振型图

图18 加固后理论振型图