单跨桁架拱桥病害分析与维修加固
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摘 要：本文通过对某桁架拱桥现存病害成因及拱桥受力分析，提出维修加固设计方案，可为类似工程病害加固处理提供参考。
关键词：单跨桁架拱桥；上弦杆；下弦杆；微弯板；裂缝；拱轴线
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.120
桁架拱桥是上世纪六十年代在双曲拱桥基础上发展起来的一种桥梁型式，因其具有工期短、施工工序少、人工省、自重轻、水平推力小、抗震性好、对软土地基适用性好等优点在国内得到了广泛的应用[ 1]。目前上海市农村桥梁中存在很多单跨桁架拱桥，这类桥梁由于设计和施工中存在的不足，又加之经历多年使用后，桥梁呈现出不同程度的病害。
1 工程概况
上海市某农村桥为竖杆式桁架拱桥，上部结构共有3榀桁架拱片，桁架拱片中心距为2.0m，上弦杆截面尺寸为0.25m×0.12m，下弦杆截面尺寸为0.6m×0.25m，竖杆截面尺寸为0.3m×0.25m。每榀下弦杆空腹段上方均设有12根竖杆，两榀下弦杆间对应竖杆位置上下各设有1榀横系梁，下弦杆实腹段共设有9榀横系梁。下部结构采用组合式桥台。桥面总宽为4.4m，桥宽布置为：0.2m栏杆基座+4m通行宽度+0.2m栏杆基座。两端桥台处均设简易断缝，桥面采用6cm厚的钢筋混凝土铺装。
2 主要病害及拱轴线测量
2.1 上部结构
（1）该桥桁架拱竖杆与上、下弦杆的连接节点处及上弦杆与实腹段交界处多处出现半环向裂缝（见图1），裂缝宽度在0.1mm～0.4mm之间，部分裂缝宽度已超过《公路桥梁承载能力检测评定规程》[2]规定的混凝土拱桥裂缝宽度限值0.3mm，这主要是由于桁架拱片无斜撑，每2根竖杆间即形成一个四边形节间，而这样的节间结构其节点刚性较弱，因此使竖杆产生较大的附加弯矩，并且由于混凝土收缩、徐变及拱脚位移等更加大了竖杆与上、下弦杆连接处截面的附加弯矩，因而致使竖杆上、下部截面混凝土开裂。
（2）该桥桁架拱上弦杆上缘近竖杆多处出现竖向及横向裂缝，其中1#上弦杆位于1-12#竖杆南侧裂缝宽度达4mm，上弦杆已接近断裂（见图2）。其余上弦杆裂缝宽度在0.2mm～0.4mm之间，部分裂缝宽度已超过《公路桥梁承载能力检测评定规程》[2]规定的混凝土拱桥裂缝宽度限值0.30mm。这是由于相邻竖杆间中心距较大，在活载作用下，桁架拱上弦杆在近竖杆处产生负弯矩，在竖杆间受正弯矩作用，导致上弦杆出现裂缝。
（3）2-3-4#～5#横梁间微弯板均有纵桥向裂缝，裂缝最大宽度为0.4mm，已超过《公路桥梁承載能力检测评定规程》[2]规定的钢筋混凝土梁主筋附近竖向裂缝允许最大宽度限值0.25mm，为典型的正弯矩裂缝。
2.2 桥面系及附属结构
（1）桥面铺装距0#桥台和1#桥台1.9m处均横向开裂，裂缝对应位置上弦杆已基本断裂，此病害是由于台背发生了沉降及转动，上弦杆与牛腿脱开，呈悬臂状态，悬臂长度较大（约2m），截面尺寸小，配筋率低，在荷载作用下断裂。
（2）其他病害：①两端简易断缝填充物均缺失，且简易断缝缝宽过大，应是两端拱脚产生一定程度的位移，桥梁跨径变大所致。②全桥桥面铺装露骨严重。
2.3 拱轴线测量
拱轴线测量是拱桥检测关键内容，该桥主拱拱轴线测量使用徕卡TS-30型全站仪，采用局部后方交会法对该桥两侧的主拱圈进行拱轴线测量，测点沿下弦杆下缘布置，将测点三维坐标转换成下弦杆平面内的二维坐标，坐标系原点为每榀下弦杆的第一个测点，横坐标正方向为由南向北，纵坐标的正方向为由下向上。实测拱轴线较为平顺，未见明显异常变形。
3 承载能力检算
3.1 检算荷载
该桥检算永久荷载包括结构自重、二期恒载，可变荷载包括人群荷载、拱脚变位、温度影响力。因该桥建造年代较为久远，设计荷载等级较低，本次检算采用《公路桥涵设计通用规范》[3]中荷载等级最低的汽车荷载汽车-10级进行检算。另外，管理单位欲将该桥改建为人行景观桥，依据《公路桥涵设计通用规范》[3]规定，同时采用人群荷载3.5kN/m2检算，如不满足，则降低荷载等级进行检算。
3.2 检算依据
本次检算针对桁架拱片进行，检算中结构材料强度和结构尺寸均以现场实测结果为依据。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》[2]，该桥承载能力检算判式如下：；该桥刚度检算判式如下：。根据该桥详细检查和检测评定的结果，检算判式中的各参数取值；；；；；。
3.3 上部结构检算
（1）从现场检查、检测结果可知，该桥大量竖杆顶部和底部均有明显半环向裂缝，且上弦杆在近竖杆处有较多的结构裂缝，表明主拱有明显变位，因此本次检算时考虑拱脚3cm的水平位移。
（2）根据现场无损检测结果，桁架拱片的混凝土强度推定值分别不小于29.1MPa，检算时桁架拱片各项材料指标按30号（C28）混凝土取值。
（3）采用桥梁博士（V3.2.0）程序建立单榀桁架拱片有限元平面杆系模型进行分析，计算模型见图3。
3.4 检算结果
3.4.1 承载能力极限状态
桁架拱片主要控制截面荷载效应最不利组合值及截面承载能力检算结果见表1。
注：主拱轴力“+”表示受压，“-”表示受拉；弯矩“-”表示截面上缘受拉，“+”表示截面下缘受拉。
上表计算结果表明，该桥桁架拱片的极限承载能力不能满足检算荷载汽车-10级及人群荷载3.5kN/m2的安全承载要求，仅能满足检算荷载人群荷载1.0kN/m2的安全承载要求。
3.4.2 正常使用极限状态
正常使用极限状态下，桁架拱片的刚度验算结果见表2。 上表计算结果表明，在检算荷载汽车-10级作用下，下弦杆挠度大于规范允许值，竖向刚度不满足要求，在人群荷载3.5kN/m2作用下，下弦杆挠度小于规范允许值，竖向刚度满足要求。
4 维修加固处理
目前该桥桁架拱片的承载能力不能满足检算荷载汽车-10级及人群荷载3.5kN/m2的安全承载要求，仅能满足检算荷载人群荷载1.0kN/m2的安全承载要求。对于此类桥梁一般建议拆除重建，考虑到该桥周边在进行景观改造且拆除重建费用较高，向部门建议维修加固后该桥作为景观人行桥使用。为此本次维修加固主要从提高承载能力、耐久性、使用性方面进行维修加固。
（1）为提高桥梁承载能力，确保结构安全主要采取以下维修加固措施：
1）对全桥受力裂缝：裂缝宽度小于0.15mm，采用裂缝灌注胶表面封闭处理；裂缝宽度大于等于0.15mm，采用裂缝灌注胶压力灌注法进行处理。
2）对于全桥桁架拱片竖杆与上、下弦杆连接节点处，两侧粘贴异型钢板进行加固，钢板厚度5mm。外侧钢板粘贴范围为节点圆弧段外20cm，上弦杆内侧钢板紧贴横隔梁下缘，下弦杆内侧钢板紧贴横隔梁上缘。
3）为提高拱脚的承载能力，对全桥主拱片两端拱脚部位，进行增大截面法[4]围套加固。凿除拱脚加固范围的混凝土，布置围套钢筋，围套支模浇筑自流平结构加固料，围套厚度为10cm，围套范围长为2m。
4）两端桥台专项维修。自桥台至第1排竖杆范围内桥面板及上弦杆全部拆除重筑，为防止桥台再次出现转动造成上弦杆脱空，本设计在上弦杆及竖杆间新增1根斜杆。两端桥台上部结构维修加固采用整体现浇，两端桥台新增RG-80型型钢伸缩缝保护带一并与上部重筑构件整体浇筑。两端桥台加固材料采用自流平加固料浇筑，新筑构件通过植筋与原结构连接。
（2）为与周边景观协调，保证桥梁的耐久性和使用性，主要采取如下措施：
1）对全桥存在的混凝土锈胀、露筋、破损处，先凿除锈蚀钢筋表层混凝土至坚实界面并在钢筋表面涂阻锈剂，然后采用混凝土结构加固用聚合物修补砂浆修补复原。
2）对全桥桥面加罩3mm厚彩色高强水泥聚合物，增强桥面美观性。
3）维修加固完成后，对桥梁主拱片外表面涂刷两遍水泥基渗透结晶型浆料，提高混凝土结构耐久性。
5 总结
本次维修加固方案主要是将不能满足现行规范安全承载要求的车行桁架拱桥，通过维修加固后改造为景观人行桥。目前该桥已维修加固完成，运营状态良好，取得了良好的经济效益和社会效益，可为同类桥梁加固处理提供参考。
参考文献：
[1]俞同華，林长川，郑信光.钢筋混凝土桁架拱桥[M].北京：人民交通出版社，1984.
[2]中华人民共和国交通运输部.公路桥梁承载能力检测评定规程[S].北京：人民交通出版社，2011.
[3]中华人民共和国交通运输部.公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2015.
[4]中华人民共和国交通运输部.公路桥梁加固设计规范[S].北京：人民交通出版社，2008.
作者简介：韩平（1988-），女，河南商丘人，硕士，研究方向：桥梁加固设计。
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