钢筋混凝土刚架拱桥加固技术研究
作者
（1.安徽省建设工程勘察设计院，安徽 合肥 230009；2.武汉大学土木工程博士后流动站，湖北 武汉 430072）
摘 要：刚架拱桥结构受力比较复杂，结合刚架的受力特点，在不改变原结构形式的基础上采用型刚替换，型钢粘贴贴加固方式，对钢筋混凝土刚架拱桥进行加固措施。
关键词：刚架拱桥受力；刚架拱桥结构；刚架拱桥加固
中图分类号：TU 文献标识码：A文章编号：1672-3198（2011）01-0300-02
1 引言
刚架拱桥是在双曲拱桥、桁架拱桥、肋拱桥和斜腿刚构桥的基础上,结合我国拱桥特点及无支架施工经验发展起来的一种新桥型,属于有推力的高次超静定结构。由于它具有构件少、质量轻、施工简便、造价低、造型美观等优点,被广泛用于跨径25～70 m 的桥梁中,在我国部分地区占有相当大数量。虽然这种拱桥有许多优点,但由于它属于高次超静定结构,结构受力比较复杂,如果一个构件有病害产生,会引起整个桥梁产生一系列病害。
2 工程概况
某钢筋混凝土刚架拱桥于1998年元月建成，主桥桥跨布置为16+3×63+16221m，主孔为63m钢筋混凝土刚架拱桥。桥面车道宽18m，两旁人行道宽各2m。设计荷载汽车-20级，挂-100，人行道3.5kN/m2。
3 桥梁病害分析
3.1 桥梁病害调查
该桥全桥试验检测结果如下：
（1）桥面系桥面板：桥面在上下游幅之间有两条沿桥纵向的贯穿性裂缝，此裂缝由桥梁在行车过程中上下游主拱变形不协调所致。
（2）伸缩缝螺栓松动或脱落，两侧形成高差变形，局部混凝土压碎，产生跳车现象，对桥梁有较大的冲击。
（3）钢筋混凝土弧形桥面板下肋普遍开裂，且裂缝较大，部分超过《城市桥梁养护技术规范》规定的0.2mm要求，最大裂缝达1mm。
（4）横梁与主拱连接不可靠，在连接处普遍出现松动裂缝，没能很好传递主拱间荷载，横梁横向联系作用失效。
（5）试验跨各跑车工况下的横向动位移峰值大于垂直动位移峰值，在20km/h时速时几乎是垂直方向的两倍。
（6）动力特性脉动试验获得的20Hz内振型很密集，在20Hz内，实验模态有17个，各种振型均有，尤其是局部振型较多。
3.2 桥梁结构性能状况评定
通过对该桥梁的实际检测的数据的分析和对实际承载力的检测，桥梁横向联结系较差，整体刚度较弱。根据《城市桥梁养护技术规范》对该桥梁进行整体的评估，该桥梁目前的完好等级为D级；同时根据《城市桥梁养护技术规范》上部结构有落梁和脱空趋势，本桥直接定为D级；另按附录D的要求，当构件结构裂缝宽度出现超过0.2mm，或桥梁出现非正常振动时，直接将桥定为D级，该桥的面板结构件下肋出现大于0.2mm的结构裂缝，且根据动载试验，在行车过程出，其横向水平振动位移大于垂直振动位移，应属于非正常振动，并考虑该桥横向联结系薄弱，出现横向联结系脱落坠入河中现象等，该桥定为D级不合格状态，该桥梁属于Ⅱ类养护的城市桥梁-城市主干路上的桥梁，应检测后进行中修或大修工程。
4 主桥加固措施
根据桥梁静、动载试验及外观质量检测结果，结合有限元计算分析，综合刚架拱桥的结构特点，本桥主要病害加固措施及详细加固工艺如下。
4.1 裂缝处理
4.1.1 宽度δ＜0.15mm的裂缝封闭工艺
（1）先用高速砂轮片沿裂缝走向刻出一道“V”形槽，深约6-8mm，宽约4-6mm，再对“V”形槽内及两旁密封部分除污去尘，用无水乙醇清洗干净。
（2）调配密封胶。
（3）将密封胶填入“V”形槽内压实抹平，将裂缝封闭。
4.1.2 宽度δ≥0.15mm的裂缝化灌工艺
（1） 裂缝缝口表面的处理：先用钢丝轮清除掉缝口5cm范围的灰尘和污垢，再对缝口两旁密封部分除污去尘，并用压缩空气吹除缝内浮尘。如因缝口因灰尘等堆积过长而完全堵死，还应用砂轮片对缝口进行拓宽处理。
（2） 埋设灌浆嘴：裂缝表面处理完后，将灌浆嘴埋设在裂缝的交叉处、较宽处、端部或经拓宽处理的缝口部位，埋设间距为100-300mm。
（3） 封缝：灌浆嘴埋设后，沿缝口用密封胶或无机封堵材料进行密封，封缝厚度约1-2mm，宽度约60mm。
（4） 密封检查：待密封胶达到强度后，沿缝涂抹一层肥皂水，并隔1000-2000mm的间距把中间的注浆孔用螺栓（缠生胶带）堵上，从灌浆嘴中通入压缩空气，如密封的缝上有冒泡现象，应对该部位重新密封，当缝较长时可分段试气检查。
（5） 灌浆：灌浆压力应不小于280KN/m2（根据裂缝的可灌度来调整压力），灌浆压力应逐渐升高，防止骤然加压使裂缝扩大。竖直裂缝灌浆从下到上依序进行，水平裂缝灌浆顺序可由两端向中间灌注。
（6） 封口結束：对于缝内无水压或其它压力的，待胶初凝后即可拆下灌浆嘴，清除密封层；反之，只有胶达到强度后才能进行拆除、清理。
4.2 主拱肋加固
计算结果显示，主拱肋跨中底部承载力无法满足设计要求，因此，拱肋底部采用粘贴钢板加固，具体操作工艺如下。
（1）划线定位：根据加固施工图，准确地在混凝土表面划出粘贴部位轮廊线及植筋位置。
（2）原结构贴合面及钢板贴合面处理：先用电锤凿除原结构外表面疏松混凝土面层，然后用钢丝刷将表面松散浮渣刷去并用吹风机吹去表面灰尘，保证处理后的贴合面符合规范及设计要求并满足混凝土面平整度小于3mm。如表面湿度较大，除上述要求外，尚须进行人工干燥处理。钢板粘结面需进行除锈处理，用角磨机打磨、直到露出金属光泽。打磨粗糙度越大越好，打磨纹路与受力方向垂直，粘贴前用棉纱沾丙酮擦拭干净。
（3）植筋：按植筋结构胶产品使用说明书要求，将胶液倒入干净容器内，以人工或电动工具将其完全调匀，注意翻看容器底部与边角处的颜色，确保配好的胶液色泽一致。将调好的结构胶装入注胶器内，然后用注胶器将结构胶注入植筋孔洞，孔洞内注胶容量必须大于50%。螺栓旋转插入孔洞内。
（4）固化：对温度在10℃以上时，固化时间达48h后可受力使用，温度在24℃以上时，固化时间达36h可受力使。固化期间不得对钢筋有任何扰动，固化后用建筑结构胶对植筋孔洞口进行封口修补。
（5）检测：为了检测植筋是否满足设计要求，应对所植钢筋进行抽样检测，检测结果必须符合设计要求。
（6）粘贴钢板：按产品使用说明书要求，将粘接建筑结构胶A、B两组份倒入干净容器内，以人工或电动工具将其完全调匀，注意翻看容器底部的颜色，确保配好的胶体色泽一致。用抹刀将配好的结构胶涂在钢板贴合面上，要求钢板上的胶层中间厚边缘薄且胶层厚度宜为1-3mm，然后将钢板贴于预定的位置。
（7）固定与加压：钢板粘贴好后立即用夹具或支撑、木方及预埋植筋螺栓等固定，并适当加压，以使胶液刚从钢板边缘挤出为度。固定加压后，用小锤敲击粘贴面两边缘敲击钢板，如无空洞声，表示已粘贴密实，否则应补胶或重新粘贴。
（8）固化与拆模：对温度在10℃以上时，固化时达到36小时后可以拆除钢板外表的加压装置。胶体固化时，在10℃以上一般在24小时强度达到设计值的70%以上，48小时后完全固化。
4.3 主桥拱肋间横系梁加固
主桥含两类横梁体系，对Ⅰ类横系梁，采用梁底粘贴型钢的加固方法，粘贴工艺同上，对Ⅱ类横系梁，采用型钢梁直接替换原来的混凝土横系梁。
Ⅱ类横梁型钢梁替换加固操作工艺如下：
（1）定位放线：根据加固设计图的要求，在拱肋对应部位定出节点板的位置。
（2）拱肋砼表面处理：采用手工凿除松散砼，采用电动角磨机与金刚片将砼表面打磨平整，并用压缩空气将表面吹干净，最后用无水酒精清洗干净。
（3）钻锚栓孔：根据设计位置定出孔位，用电锤钻Φ25孔，将孔吹洗干净后，将螺栓按植筋工艺植入孔内。
（4）节点钢板制作安装：用氧气焊将钢板按设计要求制作成型，根据锚栓位置将锚栓孔割出，然后安装钢板并上紧螺母。
（5）连接板焊接：在节点钢板画出焊接位置，然后焊接，采用“V”形坡口焊接。
（6）槽钢梁制安、焊接：采用钢管脚手架配合手拉葫芦将下料成型并已做好油漆的槽钢起吊至安装位置，首先将槽钢与节点钢板点焊焊接，矫正位置后满焊，焊缝高度15mm，所有焊缝达到二级焊缝质量等级。
（7）埋设灌浆嘴，采用IFS无机封堵料密闭节点钢板四周，用灌胶泵在钢板与拱肋混凝土间灌注结构胶，之后进行钢材表面防腐工作。
4.4 微弯板加固
微弯板结构采用在板底粘贴钢板及“工”字形型钢的组合加固方法，钢板能有效抵抗板底承受的拉应力，“工”字形型钢等效为微弯板结构的加劲肋。其加固工艺同上。
5 结语
结合刚架拱桥的受力特点，在不改变原结构形式的基础上，采用型钢替换，型钢粘贴及钢板粘贴的加固方式，对钢筋混凝土刚架拱桥进行了加固补强措施，通过实桥验证表明，本加固方案的优点如下：
（1）型钢替换及型钢粘贴加固横系梁方案能避免横系梁大范围拆除导致的桥梁横向失稳倒塌，同时施工方便，施工效率高，加固稳定性好；
（2）拱肋底部粘贴钢板加固能充分利用钢材料的力学性能，而且不增加拱肋的自重，不改变拱脚的水平推力；
（3）型钢及钢板粘贴微弯板加固方案能大大改善微弯板结构的承载能力，且施工方便。
作者 方庚明 王波