粘贴钢板法加固刚架拱桥的应用研究

唐涛+吕元佳

摘 要：文章以某刚架拱桥加固整治工程为依托，根据该桥技术状况及国内外现有刚架拱桥加固技术，制定了一套加固整治方案，并应用有限元软件作为工具，分析了刚架拱桥采用粘贴钢板法加固前、后的力学性能。结果表明，粘贴钢板法加固后主拱圈正截面承载力在各工况下均满足使用要求，且承载力富余量较大。

关键词：粘贴钢板法；强度验算；刚架拱桥；加固

1 概述

刚架拱桥具有结构简单、外观轻盈美观、组成构件重量小、吊装施工方便、经济适用等特点，在我国得到了广泛的应用。随着国民经济的发展，我国的交通荷载等级不断提高，刚架拱桥在其运营过程中，桥梁结构长期承受车辆荷载，不可避免地出现了一系列病害[1]。目前，我国有近百座钢筋混凝土刚架拱桥安全性与耐久性出现不足，个别刚架拱桥甚至出现了严重的病害，严重威胁结构安全。如果采取拆除重建的方式，不仅时间成本大，而且还影响交通运输[2]，因此，采取局部加固的方式提高桥梁承载能力具有十分重要的现实意义。

粘贴钢板法是一种常用的加固补强方法，其是指在钢筋混凝土等构件的表面上粘贴具有较大抗拉强度的薄钢板，使之与构件形成整体，使得混凝土整体和薄钢板能够协同工作，能够使构件薄弱部分与存在缺陷的部分得到改善、构件的裂缝扩展得到抑制[3]。本文以某刚架拱桥加固整治工程为依托，在总结和分析该类桥梁病害和现有加固技术的基础上，同时采用Midas/civil 2015软件进行了承载力验算，提出了一套针对刚架拱桥的加固增强方案。

2 工程概况

某桥为一孔净跨50m、全长86m的混凝土刚架拱桥，建成于1997年。该桥设计荷载标准为汽-超20级、挂车-120，桥面宽度为16.5m快车道+2×0.5m防撞护栏。本桥上部构造除桥面、翼板、填平层及接头为现浇混凝土外，其余均为预制混凝土构件，全桥由7片拱肋组成。拱脚、斜撑及弦杆均为一段预制，实腹段为两段预制。在拱顶接头、实腹段与拱腿、弦杆与拱腿等接头处均采用钢板接头，其余均采用钢筋焊接现浇混凝土接头。拱顶的预拱度为L/800，实腹段范围内按二次抛物线设置，拱腿范圍内按直线变化。本桥拱片现浇接头采用35号混凝土，拱片、微弯板、现浇混凝土填平层、现浇翼板拱座、桥头搭板采用30号混凝土。

检测发现该桥拱肋局部出现不同程度竖向裂缝；横梁与拱肋连接处钢板出现腐蚀现象；拱肋、桥面板混凝土出现破损、腐蚀、剥落现象；各拱肋联结横梁连接状况较差。铺装多处坑洞；部分泄水管周围混凝土剥落、钢筋锈蚀，伸缩缝破损，桥台局部出现不同程度裂缝。

为了增强结构受力整体性及防止裂缝的扩展，采用粘贴钢板对桥梁上部结构进行全面的维修加固增强的技术方案，主拱圈每片拱肋L/4～3L/4区段底部粘贴纵向钢板，并外箍U型钢板条，钢板条的净距为25cm，厚度为6mm。采用表面封闭法、压力灌浆法修补拱肋、横梁及桥台裂缝。为保证加固层施工过程中每个主拱肋受力均衡对称以及桥墩所受水平推力均衡对称，施工时各自同时从两拱脚至拱顶方向对称施工。

3 加固前后有限元分析

3.1 有限元分析模型建立

采用有限元软件“Midas/civil 2015”建立有限元模型；由于该桥车行道及结构均为对称布置，分别选取1#～7#肋拱脚截面、L/8、L/4及L/2截面进行正截面承载力验算；永久作用主要为结构重力，钢筋混凝土容重26.0kN/m3；可变作用为公路-II级（按照公路-II级车道荷载计算，横向布置4车道，根据《公路桥涵设计通用规范》 JTG D60-2004考虑车辆冲击系数及横向折减系数）；全桥温升12度和温降18度；承载能力极限状态基本组合，荷载效应分项系数按《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004取值。

计算原桥受力时采用301个节点、422个梁单元模拟上部结构，采用156个板单元模拟微弯板横向传力作用。拱腿及斜撑与桥台连接处边界条件为固定铰支，与弦杆连接处为刚性连接，弦杆与支座处边界条件为可移动铰支，微弯板自重、栏杆自重及二期恒载采用梁单元荷载拟合，微弯板材料采用容重为零、其余参数与C35相同的自定义材料，其余单元材料为C35混凝土。计算加固后桥梁承载力时，按照加固后的桥梁实际结构形式建立空间模型，加固后的截面按照加固方案采用组合截面。

3.2 拱桥加固前后受力分析

内力分析通过某刚架桥承载力验算与加固施工全过程内力分析。根据有限元软件空间模型内力计算结果，由于中游幅桥车行道及结构均为对称布置，选取4#肋拱脚截面、L/4及拱顶截面进行正截面承载力验算的结果，如表1。

从表1中数据可以看出，主拱圈加固前4#肋L/4、拱顶截面承载力不足，经过在主拱圈每片拱肋L/4～3L/4区段底部粘贴纵向钢板，并外箍U型钢板条进行加固处治后，主拱圈4#肋L/4、拱顶等危险截面承载能力在各工况下均满足使用要求，并且其他关键截面承载力均得到了一定的提升。

4 结束语

本文主要将粘贴钢板技术，应用于刚架拱桥的加固整治具体工程之中。通过有限元仿真分析，粘贴钢板法加固刚架拱桥后，主要控制截面承载能力都有所提高，加固后桥梁承载力能够满足公路-Ⅱ级荷载等级使用要求，且富余量较大，取得了较好的加固效果，文中的加固方案和分析方法为同类型桥梁的加固处治提供了有益的借鉴。

参考文献

[1]张源 .刚架拱桥的静载试验研究[J].西部交通科技，2012（7）：59-62.

[2]李海，朱庆铖.粘贴钢板法在桥梁维修加固中的应用[J].路桥科技，2013（21）：76-80.

[3]赫中营，王根会.既有钢筋混凝土刚架拱桥病害分析与加固措施[J].公路与汽运，2008（1）：113-116.