一、工程概況
某三孔18米鋼筋混凝土剛架拱橋，矢跨比為1/8；下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土橋墩、石砌重力式U型橋臺(tái)；橋面結(jié)構(gòu)由預(yù)制微彎板、現(xiàn)澆混凝土填平層及橋面鋪裝組成，剛架拱片由上弦桿及實(shí)腹段組成。該橋橋面板在近期例行檢查中發(fā)現(xiàn)縱向及橫向微裂縫，以橫向裂縫為最多。在第三孔靠近橋墩位置處，橋面板出現(xiàn)局部沉陷。
二、設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：
1. 公路等級：山嶺重丘一級
2. 設(shè)計(jì)荷載：汽車－超20級，掛車－120。
3. 地震基本裂度：Ⅵ度
4. 橋梁全寬：17.60米
三、主要材料：
1. 混凝土：
35＃：拱片現(xiàn)澆接頭。
30＃：預(yù)制拱片、微彎板、懸臂板、現(xiàn)澆填平層及橋面鋪裝。
25＃：橋墩、橋臺(tái)背墻、拱座，欄桿、防撞欄、安全帶。
20＃：橋墩基礎(chǔ)。
2. 鋼筋：
主筋：Ⅱ級鋼筋；
其它：Ⅰ級鋼筋；
鋼材：A3鋼
3. 承臺(tái)、墩身、橋臺(tái)、護(hù)欄、搭板為30號混凝土。
四、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算
1、上部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算情況
采用空間梁單元和板單元，對剛架拱片進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算模型如下：
圖一 拱片受力分析模型
按三個(gè)機(jī)動(dòng)車道進(jìn)行布載，考慮了車道折減系數(shù)和汽車荷載作用沖擊系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，在汽車荷載作用下，跨中產(chǎn)生的最大豎向位移為5.5毫米，在掛車荷載作用下，跨中產(chǎn)生的最大豎向位移為6.0毫米。均小于1/800L,結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。最大負(fù)彎矩發(fā)生在拱腿軸線與拱片軸線的交點(diǎn)處，汽車荷載作用下，上緣最大負(fù)彎矩為16.6噸·米。掛車荷載作用下，上緣最大負(fù)彎矩為21.4噸·米?？紤]此點(diǎn)彎矩的不真實(shí)性，因?yàn)樵诮⒛Ｐ蜁r(shí)，拱腿、拱片的軸線交于一點(diǎn)，而實(shí)際上，拱腿與拱片的相交區(qū)域，有一個(gè)很長的變化段。為考慮彎矩的折減系數(shù)，建立塊體單元模型與梁單元模型對此點(diǎn)彎矩進(jìn)行比較，求得彎矩折減系數(shù)為0.4。折減后，汽車荷載作用下，負(fù)彎矩為6.6噸·米，掛車荷載作用下，負(fù)彎矩為8.6噸·米。而拱片在此處的厚度為81.2厘米，上緣的配筋為4根Φ16鋼筋。如不考慮橋面鋪裝與微彎板的作用，剛架拱片的極限承載力為14.2噸·米。據(jù)此可判斷，在汽車、掛車荷載作用下，剛架拱片負(fù)彎矩區(qū)極限承載力滿足規(guī)范要求。對于正彎矩區(qū)段，拱片配筋較多，而彎矩較小，拱片安全儲(chǔ)備較大。拱片間的橫隔板，受力較小，配筋滿足要求。拱腿受力，在汽車荷載作用下，最大軸力為76.4噸，彎矩為0.9噸·米。在掛車荷載作用下，最大軸力為93.4噸，彎矩為9.9噸·米。按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，拱腿配筋滿足規(guī)范要求。采用板單元和實(shí)體單元對微彎板與橋面板進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，配筋均顯不足。
2、下部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算情況
在恒載，恒載+汽車，恒載+掛車作用下，各支撐受力情況見下表。
由上可知，在汽車與掛車荷載作用下，個(gè)別弦桿存在脫空現(xiàn)象。
在各種荷載作用狀況下，橋臺(tái)最不利受力情況見下表。
臺(tái)后土壓力的計(jì)算，按臺(tái)后填土為中砂進(jìn)行計(jì)算。容重取1.9t/m3，內(nèi)摩擦角取為36度。由此進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明橋臺(tái)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。橋墩的計(jì)算，分兩種布載情況進(jìn)行，一種是一孔布掛車荷載，另一孔空載。另一種是一孔布汽車荷載，另一孔空載。計(jì)算結(jié)果如下，僅列出最不利受力情況：
橋墩、橋臺(tái)穩(wěn)定、應(yīng)力驗(yàn)算表
計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，在上述布載情況下，橋墩基底應(yīng)力均是一側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力。考慮到基底不能承受拉應(yīng)力的情況，按基底應(yīng)力重分布進(jìn)行重新計(jì)算，求得最大基底應(yīng)力，如上表中數(shù)值所示。經(jīng)與地質(zhì)資料進(jìn)行對比，結(jié)果表明，橋墩、橋臺(tái)抗滑、抗傾覆、基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。
五、分析
拱片在汽車荷載和掛車荷載作用下，強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。而微彎板跨度較大，跨中板厚較薄，橋面板縱、橫向配筋不足，橋面板與微彎板連接不良是導(dǎo)致一系列裂縫出現(xiàn)的主要原因。而下部結(jié)構(gòu)，均能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。
六、加固方案
根據(jù)計(jì)算及分析結(jié)果，特提出以下加固方案，在設(shè)計(jì)加固方案時(shí)重新考慮了剛架拱片的受力，經(jīng)詳細(xì)分析各部分受力滿足規(guī)范要求。
方案一：更換橋面板
即將原橋橋面10厘米厚鋪裝層鑿掉，將原鋼筋網(wǎng)取掉，施工時(shí)注意盡量不破壞微彎板。然后在微彎板靠近支點(diǎn)部位、各拱片頂部與橋面板結(jié)合的位置種植短鋼筋，間距20厘米，呈梅花型布置。再以微彎板為底模，在其上鋪設(shè)橋面板受力鋼筋，重新澆筑12厘米厚50號水泥混凝土橋面板，養(yǎng)生待形成強(qiáng)度后再開放交通。
方案二：鋪設(shè)橋面補(bǔ)強(qiáng)層
即在現(xiàn)有的橋面板基礎(chǔ)上鋪筑6～8厘米厚的補(bǔ)強(qiáng)層。施工時(shí)先鑿除原橋面板混凝土約2～3厘米左右，使其表面粗糙。再對結(jié)合面進(jìn)行處理，然后在原橋面板上種植短鋼筋，間距20厘米，呈梅花型布置。采用干硬性混凝土或鋼纖維混凝土澆筑補(bǔ)強(qiáng)層，以減少新澆混凝土的收縮，養(yǎng)生待形成強(qiáng)度后再開放交通。
方案一橋梁恒載增加很小，無論從受力還是從加固后的效果來講都較為理想；缺點(diǎn)是工作量較大，施工工期較長。方案二對橋梁恒載略有增加，施工簡單、快捷，但橋面結(jié)構(gòu)受力不合理，有進(jìn)一步開裂的隱患。優(yōu)點(diǎn)是工程量較小，工期短。
經(jīng)比較，我們推薦方案一作為該橋的首選加固方案。
七、加固方案計(jì)算分析
將方案一，即推薦方案進(jìn)行了新增橋面板計(jì)算分析，采用板單元進(jìn)行建模計(jì)算。計(jì)算模型及結(jié)果如下：
圖二 橋面板計(jì)算模型
計(jì)算結(jié)果表明，橫橋向，兩拱片之間，板跨中最大正彎矩2.08噸.米，拱片上方，板最大負(fù)彎矩8.25噸.米。據(jù)此，進(jìn)行配筋計(jì)算，對于板跨中，由于此處微彎板厚度較薄，只有6厘米，所以不考慮微彎板的作用，取用12厘米的新增橋面板進(jìn)行計(jì)算，需用鋼筋面積9.7cm2，采用10cm間距布置Φ12鋼筋即可滿足設(shè)計(jì)要求。對于支點(diǎn)處，由于此處微彎板厚
度較厚，考慮其共同參與作用，取用彎矩8.25噸.米進(jìn)行計(jì)算。需用鋼筋面積10.7cm2。同樣采用布置Φ12鋼筋，間距10cm，即可滿足要求。對于橋面板縱向配筋，考慮原來布置的
負(fù)彎矩鋼筋已取掉，重新取用Φ16鋼筋，以間距15cm進(jìn)行布置。為了防止橋面出現(xiàn)微小裂縫，上面鋪設(shè)一層冷軋帶肋鋼筋網(wǎng)。
圖三 橋面板計(jì)算結(jié)果（噸.米）
對于剛架拱片的受力，由于新增橋面板比原來厚了2cm，恒載增大不多，對于負(fù)彎矩區(qū)受力，有了改善作用。汽車荷載作用下，最大負(fù)彎矩由6.6噸.米減為6.2噸.米；掛車荷載作用下，最大負(fù)彎矩由8.6噸.米減為8.0噸.米。正彎矩區(qū)段，汽車荷載作用下，最大彎矩為8.6噸.米；掛車荷載作用下，最大彎矩為9.7噸.米。而拱片在跨中段能承受的最大正彎矩為30.5噸.米。因此，加固后，拱片安全度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。
八、結(jié)束語
本橋已按推薦方案進(jìn)行了加固施工，并取得了良好的效果。實(shí)踐證明，本加固方案是切實(shí)可行的。
