江苏中源工程管理股份有限公司
摘要：本文以泰州市斜桥的维修加固工程为背景，介绍了桥梁加固的方法及施工流程，并对加固完成数年后该桥的技术状态进行评定，为同类型桥梁的加固及技术状态评定提供参考。
关键词：双曲拱桥；加固；荷载试验；技术状态；受力性能
1前言
桥梁是连接河道两侧的纽带，是保障公路、铁路便捷畅通的重要咽喉，其承载力是沟通全线的关键，但是，由于以前设计、施工的不足及超载车辆等因素的影响，许多在役桥梁的荷载标准偏低，未到达使用基准期就出现了不同程度的损坏。对这些旧桥是拆除重建还是加固维修，成为国内外关注的热点。相比之下，旧桥的加固改造更经济，不但可以节省大量的资源，而且能产生良好的经济、社会和环境效益。
在桥梁评定方面，交通部颁布了相关规范及条文，但目前还没有编写专门针对加固后桥梁技术状况评定的规范。本文根据泰州市斜桥的特点及破坏情况，选择适合该桥的加固方案，并对加固后的桥梁技术状态进行评定及分析。
2工程概况
泰州市斜桥为上承式双曲拱桥，跨径为15m，矢高3m，矢跨比为1/5。主拱圈为多肋多波式，拱圈截面由4片拱肋构成，拱式拱上建筑腹拱跨径布置为3跨2.3m。桥面净空为7.756m，设计荷载为汽车-15级，挂车-80级。
该桥建成通车至今已运营40多年，由于交通量增长，车辆载重不断增加，维修养护措施不到位，拱肋出现了较为严重的病害。如下图所示，1#、4#边肋肋身长期浸水，干湿交替，钢筋严重锈蚀，并引发混凝土层离胀裂，局部严重剥落，粗骨料外露明显；4#肋由于锈胀产生纵向裂缝，每段长度1m左右，间距1m左右。
拱肋积水现象拱肋开裂病害
3桥梁加固设计及施工流程
考虑到交通流量的持续增大以及承载能力的衰退恶化，为提高桥梁的承载力和通行能力，确保桥梁的安全运营，最大程度地延长其使用寿命，决定对该桥进行维修加固。
3.1加固方案比选
经理论验算，通过加固处理后，该桥可基本满足原设计荷载汽车-15级，挂车-80级的要求。参照有关技术资料并结合已有施工经验，决定对拱肋采取加固处理。
根据目前国内普遍采用的加固方案，一种是粘贴碳纤维布加固，一种是粘贴钢板加固，考虑到原边梁板和边拱肋由于长期的雨水渗透、浸泡，局部砼碳化比较严重，构件所需加固值较大，若采用多层碳纤维布进行加固，工艺较为复杂，造价也没有明显优势；而采用粘贴钢板法进行加固，受力更稳定，工艺相对简单，适用性好。综上考虑，选择采用粘贴钢板法对该双曲拱桥进行加固。
拱肋加固立面图
3.2加固施工步骤
对桥梁进行钢板粘贴加固的主要步骤为：1）采用化学灌浆法对裂缝进行修补；2）在混凝土底部钻孔，植入锚固钢筋；3）处理粘贴表面，在钢板表面钻孔，粘贴钢板。
3.2.1裂缝处理
对结构上、下部存在的所有可见裂缝进行封闭处理，裂缝宽度0.02mm～0.3mm的裂缝采用SB831灌注缝胶进行灌缝处理；裂缝宽度大于或等于0.3mm时，采用环氧树脂浆液灌注；当裂缝宽度大于1.0mm时，采用用微膨胀水泥浆液修补。灌缝施工前对沿裂缝走向周边的混凝土进行表面处理。施工采用壁可法。
3.2.2植筋工作
按设计要求标示钻孔位置、型号，采用风钻成孔，钻孔孔径按照锚固钢筋及螺栓直径d确定；钻孔孔深参考15d的基准，根据实际所需锚固力大小，并考虑构造长度要求，按照《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367-2006）计算确定。具体技术数据见下表：
植筋技术数据
钻孔完成，检查孔深、孔径合格后对孔内进行清洁，完成后将孔口临时封闭。植筋胶按比例配置，搅拌均匀，用注胶枪诸如孔内，锚固胶填充量应保证插入钢筋后周边有少许胶料溢出。钢筋、螺栓采用手锤击打方式入孔。植筋胶固化后（3~4日），采用千斤顶、锚具和反力架组成的系统进行拔拉试验，对钢筋进行抽检。废孔清净后用植筋胶填实。
3.2.3粘贴钢板加固
对被粘贴的混凝土表面等部位，采用人工凿除或高速射水法将该处松散、污损的部分清除，使该部位露出坚硬密实的部分，并对外露钢筋进行防锈处理。。
按所需尺寸制作用于粘贴加固的钢板。加固钢板选用Q345C钢，厚度为6mm，钢板表面采用加工成菱形、格状刻痕，以增加粘结性能。
在钢板和混凝土粘结面上均匀涂配制好的专用粘钢胶打底层。压贴钢板，并迅速拧紧膨胀螺栓。钢板与混凝土表面之间缝隙用稠度较高的粘钢胶填塞、勾缝。钢板粘贴完毕后，对钢板表面进行除锈、防锈处理。
4桥梁定期检测及荷载试验
在加固工程完成数年后，日常检查发现桥梁出现了新的病害。为了评价桥梁当前技术状态，确定现状桥梁是否能满足使用要求，对该桥开展技术状况检测，并进行了荷载试验。
4.1外观检测
首先进行常规外观检查，以确定桥梁的技术状况。检查内容包括桥面系、上、下部结构。
1）桥面系
桥面铺装的平整程度稍差，有网裂和龟裂、裂缝、碎裂和破碎等情况；桥梁台背回填出现明显沉降；桥头伸缩缝有杂物堵塞；排水性能较差，桥面有积水；栏杆损坏比较严重，出现块件松动错位现象，还有部分栏杆出现裂缝和漏筋现象。
2）上部结构
本桥主拱圈结构完好，仅表面有轻微渗水现象，但拱上建筑技术状态较差，如图4所示，东南侧腹孔拱脚开裂严重，开裂宽度大于0.2mm，腹孔拱肋普遍开裂。
北侧主拱圈表面渗水痕迹腹孔拱脚开裂严重
3）下部结构
下部结构总体完好，拱座处有少量网状裂缝，台身存在非贯通性裂缝，表面混凝土少量剥落，基础存在轻微的冲刷现象。
4）技术状况评定
考虑到双曲拱桥为主要机动车道，拱上结构的构件损坏严重，本桥技术状况评定等级为D级，完好状态为“不合格状况”。
4.2荷载试验
由于该桥的技术状况等级较低，拱上结构损坏较为严重，需对本桥进行荷载试验，以鉴定本桥实际承载能力是否能满足运营使用要求。
4.2.1静载试验方案设计
本桥静载试验的主要任务为通过本桥内力状态的理论计算与实测结果的对比分析，对桥梁工作状态和工作性能进行检验。本桥静载试验的测量项目有：
（1）结构控制截面的挠度或变位。
（2）结构控制截面的最大应力（应变）。
为确定主拱肋控制截面，采用有限元计算软件MIDAS对该桥进行建模计算。根据2008年承载力评定结果，加固处理后，该桥承载能力能够满足汽车-20级、挂车-100级荷载要求，故本次静载试验检验荷载定为汽车-20级。有限元模型如下图所示。
双曲拱桥计算模型
经计算，汽车-20级荷载作用下，拱顶及两侧拱脚弯矩分别达到39.4kN·m和-49.1kN·m，由此确定该双曲拱桥静载试验的主要试验工况为：1）按主拱肋拱顶最大正弯矩布载；2）按主拱肋拱脚最大负弯矩布载。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》的规定，各控制断面静力荷载试验效率应介于0.95~1.05之间。经计算，静载试验效率系数符合规定要求。
双曲拱桥试验效率系数表
加载采用一辆300kN汽车和一辆400kN汽车，加载时荷载布置如下图所示。应力监测截面选择各片拱肋拱顶及拱脚。位移监测点布置在每片拱肋底缘，挠度采用SDL1X21S型精密水准仪及千分表进行测量，应变采用电阻应变片配合静态数据采集系统和静态电阻应变仪进行测量。
工况1加载位置示意图工况2加载位置示意图
4.2.2静载试验实施与控制
正式加载试验时要求分级加载，分级加载分成3级，第一级加载时将1辆300kN的汽车中轴加载至控制截面，然后卸载；第二级加载时将1辆400kN的汽车中轴加载至控制截面；第三级时将1辆400kN和1辆300kN的汽车中轴同时加载至控制截面。
发生下列情况时应停止加载：1）控制测点应力值已达到或超过用弹性理论的控制应力值时；2）控制测点变位（挠度）超过规范允许值时；3）由于加载试验使结构出现非正常的受力损伤或局部发生损坏，影响桥梁承载能力和今后正常使用时。
4.2.3静载试验结果分析评估
1、挠度校验系数分析
以工况1为例，各片拱肋控制截面主要测点挠度理论值及实测值见图10。各拱肋拱顶的挠度校验系数均较大，除了1#拱肋校验系数小于1.0以外，其余大都在1.4~1.6之间，超过临界值1.0。拱肋拱顶截面承载能力明显不足。
工况1加载时关键断面挠度测点结果
2、应力校验系数分析
工况1下各片拱肋拱顶应力测点理论值、实测值及校验系数如图11所示，试验车加载位置下的拱肋应力校验系数均大于1.0，结构安全储备严重不足，拱顶截面承载能力偏低。
工况2下各片拱肋西侧拱脚应力测点理论值、实测值及校验系数见图12。如图所示，当试验车偏载加载时，各片拱肋西侧拱脚应变校验系数分布相差较大，布载范围内拱肋拱脚应变的校验系数明显大于空载范围内拱脚应变校验系数，说明拱肋拱脚范围内横向联系薄弱。
工况1加载时拱顶应力测点结果工况2加载时西侧拱脚应力测点结果
3、残余应变
根据相对残余应变定义(为试验荷载作用下测量的残余应变，为试验荷载作用下测量的总应变)，对加载试验的主要测点进行相对残余应变的计算，计算结果如下图所示：
工况1拱顶截面残余应变工况2拱脚截面残余应变
由图13可以看出，各片拱肋的相对残余应变均大于20%，最高达到103%，表明主拱圈拱肋基本失去弹性工作状态，拱顶截面的承载能力不足。图14为西侧拱脚的残余应变数据，其相对残余应变均大于10%，依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》规定，西侧拱脚截面承载能力不能满足要求。
5结论与建议
1.制定科学、经济的维修加固方案，对旧桥进行加固改造，能够在一定程度上提高构件的刚度及极限承载力，延长构件的使用寿命，与拆除重建相比，不但可以节省大量的资源，而且产生良好的经济、社会和环境效益。
2.由于外界因素的影响以及本身缺陷，加固后的桥梁结构使用一段时问后会出现不同程度的损伤，技术状态会随着运营时间的增长而再次降低，因此加固后需要对桥梁进行定期检查，以及时发现使用中产生的问题。
3.为保证运营安全，必要时应采取荷载试验等方式，对定期检测中技术状态较差桥梁进行承载力评定及分析，为桥梁的加固维修或限载、限交等提供依据。
论文作者:朱文圣
论文发表刊物:《防护工程》2019年13期
论文发表时间:2019/11/12
标签：荷载论文; 桥梁论文; 截面论文; 应变论文; 拱顶论文; 钢板论文; 加载论文; 《防护工程》2019年13期论文;