[工程案例]三环大桥拱桥加固方案分析

摘要：本文结合某工程，对该桥的工程外观状况及病害进行了分析，并提出了相应的加固措施，通过检测，没有发现原有裂缝的出现及新的病害产生，表明此种加固工艺在该桥上的应用是成功的，同时对于同类或类似结构的桥梁提供了一定的借鉴经验。

关键词：拱桥，加固方案，施工控制 

1工程概况

1.1三环大桥该路段的交通流量达14000辆/d，其中重载车辆所占的比重达40%。为钢筋混凝土双曲拱桥，单孔、净跨20m，5肋4波。桥面净宽为2×1.5m人行道+7m行车道，矢跨比为1/7，重力式桥台，设计荷载等级为汽车-13级，拖车-60。曾对该桥进行加宽，老桥部分成为主车道、部分成为非机动车道。经过多年的运营，该桥已进入大修期。

1.2外观状况及病害分析

该桥桥面为水泥混凝土结构，目前有1/4破损严重，导致桥面有积水现象，主拱肋底部保护层基本脱落，钢筋外露，锈蚀严重，拱顶接头处部分钢板侧面已外露；腹拱拱波顶部有贯通裂缝，裂缝最大宽度达2.5mm，腹拱横墙墙身(特别是孔洞周围)、拱墩表面有裂纹，并且在近两年来的观察中发现，裂缝扩展较快；主拱肋横系梁基本完好，无明显病害，桥台基础无冲刷变形。从外观上判断，该桥主要是由于主要承重构件刚度不足，其承载力有限，从而出现以上病害。

1.3试验检测

通过测试桥梁在试验荷载(依据《大跨径混凝土桥梁的试验方法》第3.2.1条规定，基本荷载试验要求试验效率系数在1.05≥η>0.8范围内)作用下，其主要承力构件主拱肋在控制处的强度与刚度，以及主要裂缝的开展情况，来进一步准确掌握该桥的实际受力状态，及该桥的承载能力。

1.3.1静载试验检测数据

静载试验检测的部分数据见表1～3。

1.3.2动载试验检测

通过对该桥脉动的测试及跑车激振试验，实测竖向基频为2.5Hz，侧向实测基频为0.6Hz，说明该桥的竖向与侧向的振动位移都较大。

1.3.3检测结论

(1)挠度平均校验系数为0.92，应力平均校验系数为0.98，校验系数小于1.0，表明结构的整体强度和刚度尚满足规范要求，但最大校验系数达1.02，表明承载能力与当初的设计能力接近，承载潜力已经不大。

(2)跨中截面在试验荷载作用下的最大挠度为0.96mm，小于挠度的最大限值L/800，满足规范相关要求。

(3)实测荷载横向分布系数与理论分布系数的变化趋势与数值都较接近，表明该桥横向联系较好。

以上结论说明该桥满足当初的汽车-13级、拖-60的荷载要求，但通过动载的检测，说明离现行的公路-Ⅱ级标准还有一定的差距。但鉴于该桥现有的病害，决定对该桥进行加固处治，以达到现行的二级公路桥梁的公路-Ⅱ级荷载标准，满足交通正常发展的需要。

2加固方案分析

2.1设计方案的选取

外包钢板加固是当前拱桥加固中应用得较多的一项工艺，过去在房屋建筑中应用较多，其原理就是增加拱肋的刚度，让钢板与原拱肋共同受力，从而提高整个拱桥的承载能力。由于此项工艺相对而言施工较为简单，施工质量较容易控制，工期较短，目前在桥梁加固中应用较广。其缺点是，应注意对钢板的防腐处理，后期对钢板的腐蚀性应密切关注，必须是专业队伍施工。

2.2拱肋外包钢板片加固方案的准备

(1)对主拱圈拱肋及横系梁采取锚固6mm厚钢板加固，钢板与原混凝土之间的缝隙采用专用材料填充，使之与原有拱肋形成一个整体，成为钢混凝土组合结构，同时对横系梁同样进行包钢与主拱肋形成整体，大大增强整个桥梁的整体稳定性。

(2)对拱圈、桥台和拱波表面裂纹较为集中部位，采取粘贴碳纤维布进行补强。

(3)对拱圈、桥台和拱波的局部缺陷、混凝土破损的区域，采用环氧树脂砂浆直接进行补强、修复。

(4)对原有的桥面局部破损进行修复。

(5)更换原桥泄水管。

3施工工艺及注意事项

3.1主要施工工艺

(1)混凝土表面处理。按设计图纸确定钢材在构件表面的位置。凿去构件与钢板结合面处不良混凝土，若表面严重凸凹不平，可用环氧胶泥修补。将处理后的混凝土结合面打磨平整，构件四角(或两角)应打磨出小圆角。用酒精清洗混凝土结合面。

(2)钢材表面处理。钢板与混凝土粘接面应除锈、打磨出金属光泽，然后用酒精清洗干净。

(3)焊接钢板骨架。将钢板用内爆螺栓固定在构件预定结合面，钢板之间通过焊接形成钢骨架。

(4)密封及粘贴灌浆嘴。用密封材料将钢骨架全部构件边缘密封。在钢骨架边缘适当位置钻孔，粘贴灌浆嘴并留出排气孔。

(5)配制结构胶。将ZLPJ-B包钢灌注结构胶A、B两组按比例(A∶B=4∶1)混合，用电动搅拌机充分搅拌均匀，每次搅拌量不宜过多，应1次用完。

(6)压力灌胶。将灌浆管与灌浆盒接通，启动空压机，检查灌浆系统和钢材周边密封是否完好。将配制好的液态结构胶装入灌浆罐内，启动空压机向钢材与混凝土表面之间的空腔内灌浆，待出浆盒溢胶后将其封闭。再继续压注几分钟即可停止灌浆。待空腔内胶体达到初凝而不外流时拆下灌浆盒，再用结构胶将灌浆盒处抹平、封口。

(7)养护、固化。结构胶可在常温下养护、固化，环境温度保持在20℃以上时24h具有一定强度，3d后可受力使用。

(8)拱肋包钢钢板表面防碳化。钢板面应除锈、打磨出金属光泽，然后用酒精或丙酮清洗干净，用有机高强结构胶均匀涂在钢板表面，再用已准备好的干砂均匀洒在有机胶上使钢板表面粗糙，最后用无机胶搅拌成的水泥浆刮在钢板上，将钢板面密封使之不被锈蚀。

3.2主要注意事项

(1)混凝土表面必须打磨至漏出砂石新面层为宜，然后用环氧砂浆修补找平，钢板打磨粗糙要彻底，有油污的地方要用丙酮清洗干净。

(2)调试胶水前要根据当地当时的环境、温度和工艺条件进行胶水的试验调制，以确定最佳配比。

(3)粘贴时必须紧压钢板，使之固定，压紧后再在钢板外表面上粘1层粗砂，再涂1层环氧树脂密封，干硬后再涂1层水泥净浆，使之与原桥颜色保持一致。

(4)压紧螺栓必须埋设牢固，具有可靠的抗减性。

(5)钢板内隙采用专用建筑结构胶填充密实。

4加固后的效果

4.1加固后的试验检测

通过测试该桥在试验荷载(与加固前相同的试验荷载)作用下，其主要承力构件主拱肋在控制截面处的强度与刚度数值，以及裂缝的开展情况，来掌握加固后该桥的实际受力状态，判断该桥在加固后的承载能力(见表4～6)。

表4跨中截面各测点挠度值                    

4.2检测结论

(1)挠度平均校验系数为0.923，应变平均校验系数为0.96，校验系数小于1.0。

(2)跨中截面在试验荷载作用下的最大挠度为1.08mm，小于理论计算最大挠度1.19mm，远小于挠度的最大限值L/800，其中跨中最大挠度测点的残余挠度为0.01mm，相对残余挠度值为0.9%，远小于规范允许值20%。

(3)实测荷载横向分布系数与理论分布系数的变化趋势与数值都较接近。

(4)试验过程中未出现裂缝，车辆跑过时的振动响应明显减弱(竖向基频为1.6Hz，侧向基频为0.4Hz，加固前是加固后的1.5倍)。

通过对加固后该桥的检测，及对实测数据的全面分析，说明该桥行车时的动力响应明显减弱，桥梁的整体性与动刚度得到了加强，该桥的承载能力得到了提高，达到了现行二级公路桥梁公路-Ⅱ级荷载标准，选择的加固方案可行。 

参考文献：

[1]陈开利，王邦楣，林亚超.桥梁工程鉴定与加固手册.北京:人民交通出版社，2005.

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