钢筋混凝土中承式拱桥加固设计及施工实例
摘要：近年来，大型桥梁实际交通量远大于早前建造的桥梁荷载标准，使得大量桥梁出现了各种病害危及行车安全，为消除安全隐患，我国持续加大旧、危桥改造的实施，同时积累了许多宝贵的经验。本篇文章在编写上，针对钢筋混凝土中承式拱桥常见病害问题进行了阐述，并简述某桥的病害维修加固工程实例，具有较强的实用性。
关键词：钢筋混凝土中承式拱桥；吊杆；病害；维修；加固
一、钢筋混凝土中承式拱桥的特点
中承式拱桥的桥跨构造一般由拱肋、横向连接系及其支撑结构几部分组成，桥面位于拱肋的中间部位，中间部分悬吊在拱肋上，两边由立柱支承在拱肋上。主要的承重构件为拱肋；对于中承式拱桥为双肋结构形式的，其横向连接系设置在两片拱肋之间，目的是增加两片分离式拱肋的横向刚度和稳定性；桥面及其支承结构包括悬吊桥面、支承吊杆、支承桥面、支承立柱等。桥墩、桥台和基础，用以支承桥跨结构。桥面荷载直接作用在桥面上，桥面将荷载通过吊杆和立柱传递到拱肋上，拱肋把这些作用力传递到拱座或地基上，形成传力结构。 二、钢筋混凝土中承式拱桥常见病害
本文主要阐述钢筋混凝土中承式拱桥特有的常见病害，其他桥梁通病不再赘述。 1、拱肋病害
钢筋混凝土中承式拱桥常常采用实心或箱形肋，拱肋作为主要受力构件，承担弯矩和轴力的作用，常常出现不同形式的裂缝或由于环境因素的影响，引起混凝土剥落露筋及钢筋锈蚀问题。裂缝一般出现在拱脚上缘、拱顶部位拱肋的侧面、拱脚侧面等，有的裂缝已深入内部混凝土中，形成贯穿裂缝，严重时，会导致混凝土压碎；拱肋局部病害包括局部混凝土缺损、空洞、粗集料外露，甚至钢筋外露且锈蚀，有时伴有渗水现象。尤其是箱形肋出现裂缝等病害后，会进一步引起拱箱内积水，导致钢筋锈蚀及混凝土劣化。 2、吊杆病害
在我国，拱桥吊杆设计的安全系数在桥梁设计规范中未做明确规定。在实际的工程应用中，吊杆的安全系数大部分是选取悬索桥或者斜拉索的规范数值。吊杆在使用过程中，由于各种原因极易引起吊杆的锈蚀等病害，从而造成安全系数的降低。主要分以下几种病害： （1）PE保护套的开裂与吊杆钢丝的锈蚀。
（2）锚头腐蚀及积水。在环境的影响下，上下锚头内的防腐油脂易挥发，进一步引起锚头腐蚀。并且部分桥梁锚头下端预埋管有进水现象，使预埋孔道及吊索内的相对湿度增加，从而腐蚀锚头及索体。
（3）短吊杆的常见病害。在桥梁永久荷载作用下，长短吊杆的受力情况一致。但短吊杆的设计位置是位于桥面两端靠近立柱处，此位置由于集中受到拱肋的受力变位和受温度作用，以及桥面温度变化时的位移，使得短吊杆相对于长吊杆受到更大的弯曲与剪切变形，易发生短吊杆位置偏移，预埋保护套碎裂，从而增加吊杆的腐蚀风险。
3、立柱病害
立柱为受压构件，在使用过程中常见的病害有：
（1）由于各种原因，出现不同形式的裂缝，立柱的裂缝分布大致可分为竖向裂缝、横向裂缝、环向裂缝等。
（2）立柱安装位置偏差较大，从而导致柱顶与梁段结合不紧密，立柱与梁段接缝错位。 （3）立柱砼浇筑品质较差、受到腐蚀或荷载超限，呈现蜂窝、麻面等现象，严重部位边缘有掉角，混凝土部分缺损，露筋，此病害大多出现在柱脚处。 （4）立柱两端局部混凝土压碎。
三、钢筋混凝土中承式拱桥维修加固一般方法 1、主拱肋加固
对于主拱肋裂缝破坏，宜采用化学灌浆法修复，对于混凝土剥落、露筋等病害，宜采用环氧树脂砂浆来局部修复，当混凝土已经严重劣化时，要凿除混凝土，露出粘贴结构层。对于拱肋承载力不足和采用以下加固措施。 （1）加大拱肋断面。 （2）在受拉区粘贴碳纤维布。 （3）粘贴钢板加固。 2、吊杆修复与更换
（1）吊杆及锚头除锈。对于一般锈蚀或轻微锈蚀的吊杆钢丝，可除去PE保护套，用钢丝刷除锈，重新采取防锈措施，对于开裂的PE保护套，进行及时更换，同时加强日常养护工作。
（2）更换吊杆。对于锈蚀严重的吊杆需要采取更换吊杆措施。封闭交通后，用索力测定仪测量待换吊杆及同侧临近吊杆的索力以及待换吊杆安装长度、总长、锚杯外露长度；用水准仪测量待换吊杆及同侧临近吊杆处桥面高程；要求新吊杆索力与旧吊杆索力基本一致，临近吊杆的索力也没有变化，桥面高程与换索前相同。 3、立柱修复与加固
对于混凝土剥落、露筋等病害，宜采用环氧树脂砂浆局部修复，对于原立柱承载能力严重不足的情况，宜增设立柱。
对表面露筋破损严重的立柱可进行外包混凝土，将表面裂缝进行灌浆封闭，对钢筋进行除锈处理，将原混凝土表面进行凿毛处理，立柱外包混凝土。
一般情况下的立柱加固，可采用环向包裹碳纤维布（图1），利用约束混凝土的原理，进行立柱承载力提高。 四、工程实例桥梁概况
某市跨江大桥，东西走向，桥梁全长484.5m，1995年开工，2002年建成通车。 其主桥中承拱为等截面悬链线无绞拱，跨度80m，宽20.9m，采用双肋式，箱形截面，箱高2m，宽1.2m；顶底板厚25cm，侧板厚20cm。除离拱脚3.5m段采用实心加强，另
3.5m过渡段外，其余段拱肋为空心箱梁。左右两肋共13对吊杆，吊杆采用2根（每根109*?5.2mm钢丝）平行钢丝束，墩头锚，间距5m，钢丝束外用热挤聚乙烯防护。 设计荷载：汽-20，挂-100；桥面宽度：1.5m+15m+1.5m；设计洪水频率：1/100；抗震设计：按7度设防。 图1
五、主桥现状主要病害
依据桥梁检测报告，该桥梁主要存在以下几处病害：
1、主拱圈：80m中承拱主桥主拱圈未见明显开裂现象，局部出现蜂窝、孔洞。 2、吊杆横梁：横梁裂缝无明显变化，裂缝长度为50~120cm，宽度基本小于0.15mm，裂缝中间宽、两端窄，形态呈枣核状，分布间隔较为均匀并均未裂至横梁下部，为混凝土收缩裂缝。
3、吊杆：中承拱吊杆下锚头均有渗漏现象，锚头滴挂现象严重，滴水频率约2滴/min。渗漏水较清，无明显锈蚀现象，水由吊杆钢护套顶部下渗，其原因为护套内砂浆在钢索振动中局部碎裂，护套上部渗水导致。
4、部分吊杆外部PE外套出现环向老化裂缝，裂缝宽度基本为2mm。本桥主跨中承式拱桥共有吊杆26对，主要存在吊杆PE护套开裂、PE护套内积水及钢丝锈蚀等病害。 六、主要病害成因分析 1、原结构复算
根据原桥竣工图纸，采用MIDAS/CIVIL程序建立空间计算模型，对中承式拱桥吊杆内力进行计算。
拱为等截面悬链线无铰拱，拱轴系数1.543，净矢跨比1/4，拱肋为箱形，高2m，宽1.2m，拱脚实心加强。吊杆采用2根（每根109*?5.2mm钢丝）平行钢丝束，行车道板采用空心板，计算取值依照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85）中的数值。
（1）计算模型：计算模型节点划分如图2所示，拱脚为固定。计算荷载采用汽-20级，挂-100。 图2
（2）荷载组合
组合I：结构重力+汽车组合 组合III：结构重力+挂车组合
对原吊杆内力进行复算，结果如表1。
吊杆型号109?5.2，破断力为3360KN，双排吊杆最小安全系数为4.58，一般吊杆安全系数应大于2.5~3，吊杆安全储备高。但吊杆主要存在护套开裂、护套内积水及钢丝锈蚀等病
害，考虑到钢丝锈蚀造成的危害无法估量。设计更换整束挤压钢绞线，锚固牢靠、构造紧凑，调束张拉简便，抗腐蚀性好。 2、病害成因分析
吊杆锈蚀主要是吊杆材料本身的特点导致，原桥吊杆采用热挤聚乙烯套进行防护，在车辆荷载作用下，护套会出现拉压应力作用，较长时间为必然出现疲劳开裂，加上材料老化因素的同时作用，护套出现较多的环向开裂，导致水汽侵入，钢丝锈蚀。 表1
七、维修加固方案
根据现场踏勘情况，设计拆除更换全部旧吊杆，考虑到该桥为箱形拱肋，施工时应尽量避免在横隔板上过大钻孔，且原桥双排吊杆安全储备很高，因此，综合考虑施工难度和安全性，新吊杆采用GJ15-12钢绞线成品吊杆，锚具采用钢绞线整束挤压锚，详见图3。 八、推荐方案加固后结构验算
中承式拱桥新吊杆采用GJ15-12钢绞线成品吊杆，破断力为3125KN，最小单排吊杆安全系数为2.13，最小双排吊杆安全系数4.26，吊杆安全储备高，防腐性能好。 九、施工要点及注意事项 1、钢绞线整束挤压吊杆特点
本桥新吊杆采用整束挤压吊杆，特点如下：
（1）钢绞线外表面涂装防腐油脂，单根钢束采用高密度聚乙烯管保护，钢束整体外缠高强度聚酯带另包高密度聚乙烯外保护套，多层防护，避免了钢丝由于一处腐蚀而整束锈蚀，防腐蚀性能优越。
（2）钢绞线之间有聚乙烯相隔，结构阻尼较钢丝拉索的要大，抗震性能好；钢绞线在聚乙烯管内可以滑动，外层拉应力传递不到聚乙烯管上，避免其因拉应力开裂。 图3
（3）钢绞线两端用锚碇管将其压入并锚固，制作外螺纹，用螺母将其
紧锁。施工时，将挤压锚碇套中的钢绞线整束压在一起，张拉时，回缩量极少，在低应力状态下甚至是负应力状态下，锚碇套与钢绞线之间的握裹力都是不变的，钢绞线不会产生松弛。钢绞线进入挤压锚碇套的折角小于冷、热铸锚。 2、吊杆更换工艺
（1）道路交通封闭之后，在夜间或者凌晨测量永久荷载下的吊杆位置的系梁端和拱肋端的高程，作为此次加固的一个基准点，并作为加固完成后效果的一个评定。测量内容为吊杆应力、桥面控制点高程、拱轴线的测量，同时应与竣工时的数据进行比对分析。
（2）设置临时兜吊系统。施工平台搭设完成后，设置临时兜吊系统。上端在主拱圈吊杆位置处设置临时兜吊平台，下端临时吊点设置在吊杆横梁上，采用精轧螺纹钢筋或钢丝绳连接上下兜吊系统，临时兜吊系统是可调的。
（3）旧吊杆拆除。凿除拱肋上端锚窝混凝土，露出吊杆锚头，安装千斤顶分级张拉旧吊杆，待锚头松动时使用扭力扳手旋送锚头，逐级卸去吊杆内力后拆除吊杆。
因为拱肋的刚度都较大，所以桥梁体系转换的难度也很大。为了避免应力集中作用，工作吊杆采用分级加载。桥梁旧吊杆切断分5次进行，方可切断吊杆，旧吊杆的应力转移到了兜吊系统精轧螺纹钢筋或钢丝绳之上。
吊杆割断后，凿除锚头表面的混凝土，用气割将锚头割除。割除拱下旧吊杆，对拱肋和横梁内的旧吊杆，可采取金刚钻机取芯的方式，取出旧预埋管、旧混凝土及旧索，上、下端更换新的锚垫板和预埋管。
（4）新吊杆的安装。吊杆的垂直运输可用卷扬机辅助吊运，运用拱顶吊杆安装位置设置的平台作为吊点，将新吊杆吊到安装位置。安装前应预先在上锚垫板标记出新吊杆的理论位置，误差应在±3mm。两端锚具螺母的安装位置应注意，目的是保证吊杆的长度可调节，同时应注意安装球形垫圈时的方向和控制精度。新吊杆的张拉过程就是应力转换的过程，应力由临时兜吊系统转换至新吊杆，转换过程应同步、分级进行。体系转换完成后，应对顶面高程进行测量，使其在设计范围之内。当所有吊杆更换完成后，根据检测数据判断是否需要进行索力调整。调整时应按调整值分级调整的程序进行，而且四点同步进行。张拉或者加载速度一般应不大于10Mpa/min，直到张拉应力达到设计值后停止，拧紧螺母。
最后一步是安装桥面防水罩与上、下锚头保护罩；向其内部填充聚氨酯防腐材料，做好吊杆防腐工作。 参考文献：
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