钱 好

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430052）

1 引言

钢筋混凝土肋拱桥作为国内90年代广泛应用的桥梁结构形式，除主要结构部件外往往大量运用砂石填料和浆砌片石、块石等工程材料，具有造价低、材料省、施工工艺易掌握、桥型美观、跨径适应性大等优点。但原设计荷载等级较低，公路超载超限服役、年久失修等造成拱肋结构材料性能劣化和实际承载能力不足等问题较为严峻。按原荷载等级和设计理论建造的既有肋拱桥，能否提高使用等级[1]，与既有桥梁承载能力评价和加固措施的选用等直接相关。祝于红等[2]从某重载双曲拱桥病害调查和承载能力分析入手，对提出的拱肋截面增大、横系梁加大和钢板粘贴的加固方案，并对其进行静动载试验以验证其加固有效性；夏学锋等[3]对某组合式拱桥进行了不阻断交通条件下的改造和加固研究；林鸣等[4]通过桥梁外观检查和荷载试验等方式分析某旧双曲拱桥承载能力，讨论此类拱桥承载能力评定的技术误区。

目前，针对既有肋拱桥肋材料劣化和截面性能削弱的承载能力评估工程案例不多，加固技术研究多集中在拱肋截面加固，对桥梁整体改造加固的案例较少。既有老旧肋拱桥的承载能力评估往往因年代久远缺失必要的设计及养护资料，依赖现场检测数据对桥梁结构信息的还原，实测数据的准确全面性对于结构有限元计算分析和加固改造设计的深度影响很大。

文章依托某公路老旧肋拱桥检测、承载能力分析和全桥改造加固设计，针对其材料劣化和拱肋截面严重削弱的问题，进行检测与承载能力评估，并提出经济适用的加固改造设计方案，以期为类似老旧肋拱桥加固改造工程提供借鉴作用。

2 工程概况

某五跨空腹式钢筋混凝土肋拱桥跨径组合为5 m×27 m，其中第1～2跨为跨中铰接拱，第3～5跨为无铰拱。桥面宽为净6.0 m+（2×1）m（人行道）。各跨主拱圈由6片拱肋组成，7道横系梁及预制盖板构成，拱上结构由拱上侧墙、腹拱及拱上填料等组成，3#孔设置7个腹拱，其余各孔设置6个腹拱。下部结构为浆砌片石墩、重力式台及扩大基础。桥面铺装层钻芯显示为13 cm厚水泥混凝土铺装层。原设计荷载为汽车-15级、挂车-80级，双向两车道，限速40 km/h 通行。

对该肋拱桥常规检查中发现主拱圈拱肋出现多处锈胀露筋、蜂窝麻面，部分钢筋锈蚀断裂，腹板和拱脚局部出现裂缝，拟对桥梁进行加固改造。为确定既有桥梁结构能否利用或其病害及隐患经处置后能否满足后续使用功能，通过桥梁检测评估其桥梁技术状况，确定各结构损伤程度及病害产生原因，继而对主拱肋承载能力进行检算，并评价其利用价值，再针对性地进行病害维修加固，以恢复其主拱肋结构承载能力。

3 桥梁检测

3.1 检测重点

肋拱桥因建设年代久远导致施工图纸缺失，检测工作除常规病害调查外，需重点对桥梁恒载变异状况进行调查，包括材料强度、结构形式、拱肋轴线线形、截面尺寸、截面配筋及桥面铺装层厚度等关键结构参数的检测，作为承载能力检算的计算依据。

一般而言，肋拱桥的破坏往往与关键截面的抗弯和抗剪承载能力不足直接相关[5]，而此类拱桥的荷载作用效应与主拱肋实际轴线线形紧密相关，不合理拱轴线形往往不利于主拱肋承压特性的有效发挥。再者，此类肋拱桥原设计的拱上结构及填料、铺装层等恒载的作用对主拱肋受力特性影响很大，结构计算中需要准确模拟恒载的实际大小和分布情况，改造加固设计中也要尽量减少新增荷载。因此，检测中重点对拱肋轴线线形、铺装层厚度等参数进行了精确复测，以对主拱肋准确建模并进行承载能力检算。

3.2 外观检查

根据桥梁现场踏勘和外观病害检查结果，该桥主要病害为：主拱圈拱脚出现多处严重锈胀露筋，部分钢筋锈蚀断裂，拱肋腹板和拱脚竖向裂缝，拱肋截面削弱严重，如图1所示。该肋拱桥因拱肋截面削弱严重，主拱圈评为4类部件，按照《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011）中主要部件最差缺损状况评定方法，该桥桥梁综合技术状况评定等级为4类桥。

图1 主拱肋典型病害图

主拱肋拱脚处常年受河水侵蚀干湿交替，截面外侧钢筋锈胀甚至锈断，截面底部混凝土剥落。拱脚截面及其他受弯拉应力较大的截面，其截面损伤更为严重。主拱肋等主要承重构件的拱脚和拱圈出现大量裂缝，主要原因是不断增加的重载车辆的长期作用和动荷载的冲击作用。

同时该桥还存在墩台受水流侵蚀，局部砂浆脱落，浆砌片石外露；桥面混凝土铺装出现多条纵向、横向裂缝，局部网裂、断角等病害。且现状单侧人行道净宽仅0.75 m，桥梁行人通行量较大，无法满足上下班高峰期行人通行需求。

3.3 恒载变异状况检测

为准确测出各跨肋拱轴线线形，采用高精度全站采集全部5跨拱肋轴线的三维坐标，对各实测线形进行拟合分析得到实测主拱肋轴线线形，拱肋矢高4.017 m，跨径25.976 m，拱肋矢跨比为1∶6.5。

对混凝土桥面铺装层的钻芯厚度测量值进行分析得到其铺装层厚度为13.0 cm。拱上填料取样判明主要为轻质炉渣与填土混合填料。

同时，对主拱肋等主要构件截面尺寸进行详细测量，并对主拱肋内部钢筋布置情况进行检测，综合参考此类肋拱桥设计图集和有关文献资料，得到主拱肋截面尺寸及配筋信息如图2所示。

图2 主拱肋截面及配筋图（截面尺寸单位：cm）

主拱肋截面上缘、下缘钢筋布置推断为4Φ18（2层），间距12 cm；腹筋为Φ10（5层），间距为9～10 cm。

承载能力检算系数的取定对于结构自振频率的权重较大，该参数主要反映结构整体性能和受力体系的改变，评价桥梁工作状况。同时，自振频率也是桥梁上部结构整体刚度性能的表征，检测时为保证对主拱肋结构的频率识别，将传感器直接安置于主拱肋结构上进行信号采集，而不同于常规放置于桥面跨中典型截面上。该桥自振频率检测结果表明主拱肋结构实际刚度性能较理论结构刚度大，主拱肋整体性能良好。

3.4 结构检算说明

根据规范《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）中第7.1.6条，当桥梁结构或构件的承载能力检算系数评定标度D≥3时，应进行正常使用极限状态评定计算。桥拱肋的承载能力检算系数评定标度D=2.71，无需进行正常使用极限状态检算，仅对该肋拱桥在持久状况下承载能力极限状态和原桥设计状态下的正常使用极限状态检算。承载能力极限状态针对结构的截面强度和稳定性，正常使用极限状态主要针对结构或构件的刚度和抗裂性[6]。

采用Midas Civil桥梁有限元分析软件建立空间梁格模型，拱肋、拱脚、横向联系、拱上立柱均采用梁单元模拟，桥面板、腹拱、拱肋盖板采用板单元，拱上填料按等效荷载以节点荷载和梁单元荷载分别施加在腹拱和腹拱立墙上。模型中对跨中铰接拱的拱脚处进行固结约束，拱肋跨中铰接采用释放梁端弯矩约束进行模拟；而无铰拱只对其拱脚进行固结约束；桥面板单元采用弹模很小的虚拟梁板模拟，只传递二期等竖向力荷载。计算模型主拱肋考虑5 cm拱肋盖板厚度参与结构受力。梁格法空间计算模型，如图3所示。

图3 Midas梁格法空间计算模型局部图

该肋拱桥主拱肋作为典型的大小偏心受压构件，需要按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023—85）中第4.1.17条T形截面偏心受压构件验算其正截面强度。结构按承载能力极限状态设计，其基本组合采用JTJ 023—85规定的3种承载组合，正常使用极限状态也包含3种使用组合。

损伤前原设计状态承载能力计算结果需要根据检测结果由规范JTG/T J21—2011求得结构检算系数并进行承载能力修正，从而得到损伤后的实际承载能力。

3.5 结构检算结果

承载能力荷载组合3：1.1恒载+1.3收缩徐变+1.3汽车+1.3人群+1.3整体降温。以跨中铰接拱为例，图4和表1为承载能力组合3作用下主拱肋各特征截面的拱肋弯矩和轴力最大内力计算结果。

表1 跨中铰接拱承载能力组合3最大内力结果表

图4 承载能力组合3作用下弯矩和轴力图

由规范公式通过受压区高度值进行大偏心和小偏心受力类型判别，根据偏心类型分别对最大轴力截面强度和最大弯矩截面强度进行验算，判断轴力和弯矩承载能力是否满足，见表2。

表2 承载能力荷载组合3最大弯矩截面强度验算

然后根据结构检算系数修正截面损伤修正后的强度，见表3。

表3 承载能力荷载组合3最大弯矩损伤修正截面强度验算

以跨中铰接拱在承载能力荷载组合3作用下，最大弯矩工况的正截面抗弯承载能力和抗压承载能力为例，对承载能力极限状态检算进行了说明。正常使用极限状态仅对原桥设计状态下拱肋正常使用极限状态进行检算。截面损伤前的正常使用极限状态检算包括变形和拱肋截面应力验算，验算结果满足相关规范要求。

肋拱桥建设年代久远，施工图纸缺失，根据现场调查和检测结果确定桥梁相关材料、结构形式、几何尺寸、配筋等信息。经结构检算分析表明，以《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021—89）汽车-15级、挂车-80、人群荷载-3.0 kN/m2作为检算活荷载，1～2跨跨中铰接拱、3～5跨无铰拱损伤前验算均满足85规范要求；考虑损伤后拱脚处正截面强度不满足规范要求。

4 整体改造与加固

4.1 改造加固思路

整体改造与加固仍维持原设计荷载标准，以保证桥梁结构安全和耐久性，加固思路如下：

（1）对桥面铺装进行改造，增强主拱圈受力整体性，提高桥梁结构的安全性；

（2）考虑损伤后拱脚处截面强度验算不满足要求，对主拱肋拱脚范围外包加固处理，并对墩台外包加固，提高耐久性和安全性；

（3）对混凝土表面常规病害进行常规耐久性修复和耐久性涂装处理。

4.2 桥面改造

现状单侧人行道净宽仅75 cm，该桥行人通行量较大，将原1 m人行道扩宽为1.5 m，以满足行人需求。人行道采用轻质钢结构，减少新增恒载。同时将原桥面铺装更换为25 cm厚整体化现浇层，增强主拱圈受力整体性。

4.3 拱肋外包加固

对拱脚部分主拱肋、墩台外包钢筋混凝土加固，增强结构安全性和耐久性，如图5和图6所示。

图5 拱脚部分主拱肋、墩台外包钢筋混凝土加固布置图

图6 拱脚部分主拱肋外包钢筋混凝土加固细部图（单位：cm）

拱肋拱脚范围外包钢筋混凝土加固，外包C30自密实混凝土。截面两侧面均加厚15 cm，底部加厚30 cm，顶部外包混凝土范围与拱肋盖板底部齐平。外包混凝土主要受力钢筋采用φ16的HRB400钢筋，构造筋和植筋采用φ12的HRB400钢筋。

5 加固后承载能力评估

经改造加固后的主拱圈承载能力见表4，以加固前、加固后承载能力荷载组合3最大弯矩截面强度的结果对比为例，主拱肋各特征截面的承载能力得到了明显提高，加固后轴力和弯矩抗力值均大于设计内力值，且具有一定安全储备系数。拱脚处抗弯承载能力最大提高至加固前的2.5倍，表明外包钢筋混凝土增大截面加固措施是合理有效的。

表4 加固前后承载能力荷载组合3最大弯矩截面强度验算

6 结论

（1）该肋拱桥主拱圈拱脚多处钢筋严重锈蚀甚至断裂，拱肋截面削弱严重致使主拱圈拱脚截面抗弯承载力不足。年久失修是主观原因，拱肋截面底部流水侵蚀导致锈胀露筋严重，拱肋钢筋混凝土材料劣化是客观原因。承载能力检算分析中应准确计入材料劣化和截面损伤等不利因素对承载能力的削弱影响。

（2）由改造加固前后的承载能力检算结论表明，肋拱桥采用“桥面改造+拱肋及墩台外包加固+病害修补及涂装层改造”的改造加固设计方案，可有效提高主拱圈承载能力，同时增强主拱圈受力整体性及结构耐久性。

（3）对于此类老旧肋拱桥的改造加固工程应注意对新增结构恒载的控制，使主拱肋的原本弯压受力体系保持合理状态，同时为保证增大截面加固法对于新老结构的受力协同性，应选用性能相近的材料对加固范围和加固效果进行合理性评估。