钢筋混凝土桁架拱桥在平原矿区公路上的维修加固措施研究

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[摘 要] 钢筋混凝土桁架拱桥是我国传统拱桥的继承与发展，在平原矿区公路地段，钢筋混凝土桁架拱桥的应用，极大的便利了矿区中心居住区与辅助企业区的交通。然而钢筋混凝土桁架拱桥也存在一定的质量问题。本文以永夏矿区沱河桥为例，对该工程的维修加固措施进行研究。

[关键词] 钢筋混凝土桁架拱桥； 平原矿区； 桩基组合式桥台； 加大截面法； 桥面加固法

引言

钢筋混凝土桁架拱桥是在我国传统拱桥结构基础上发展起来的一种新式拱式结构，它具有施工简便、造价低、质量轻、刚度大以及外形美观的有点，因此在上世纪六七十年代，成为我国各区所选用的主要拱桥结构。然而随着我国经济水平的提高，交通运输日益发达，为发展需求，我国经历了大规模的路网改造以及公路等级提升，使得交通运输量急剧增长，再加上车载密度以及车辆载重增加，使得之前建造的许多桁架拱桥遭到不同程度的损坏，已经很难满足现代化交通使用的要求，为此，对拱桥进行维修加固处理，已经成为一项刻不容缓的系统性工程。本文根据桁架拱桥内力分析复杂的特点，结合大型通用有限元软件，并以永夏平原矿区沱河桥为工程实例，对钢筋混凝土桁架拱桥的维修加固环节进行分析。

1 工程概况及主要危害

1.1 工程概况

沱河桥（图1）作为连接永夏矿区中心居住区与辅助企业区的交通要道，为当地的经济发展起到了重要的作用，但由于发展的需要，国家对该区域进行了路网改造，使得沱河桥承受的交通量日益增加，目前，沱河桥的结构已经发生了一定程度的损坏。为此，当地政府为沱河桥制定了详细的维修加固方案。

沱河桥位于永夏矿区境内，是一架钢筋混凝土桁架拱桥，该桥历史悠久，该桥由东南向西北横跨沱河，沱河桥主跨120米，上部的主要结构形式是钢筋混凝土桁架拱单跨，跨径总长为120米，沱河桥上部结构是由四片桁架构成，分为三波，使用三角形腹杆；横向联系布置为在上弦杆节点处设置拉杆，在下弦杆节点处设置横隔板。桥台为空箱式桥台，桥台基础为刚性扩大基础，中心桩号为5K+985。全长130米，桥面净宽7米，全宽8米。原荷载设计等级为汽20，挂车-100级。大桥的具体设计参数如下：

①荷载标准：汽车-20级，挂车-100级；

②江水面积：F=2340k；

③设计流量：Q50=930m/s；

④地质条件：粉砂，软塑中密，中等压缩性，基本承载力=150～250kPa，地震的基本烈度为六度；

⑤从工程地质及施工条件看，宜采用钻孔灌注桩；

⑥采用5―30m刚架拱桥，每跨全长32m。

1.2 工程主要危害

1.2.1 混凝土出现裂缝

沱河桥的底部出现了裂纹，局部已经有水渍现象，桥面上已经出现多处坑洞损坏情况，其中一处人行道已经出现坍塌，混凝土结构已经发生不同程度的松动及脱落情况，使得桥内钢筋出现外露。经研究，造成裂缝的原因除了箍筋锈蚀引起的胀裂之外，主要是因为活动性结构受力而造成的。桥版面发生裂缝的原因是因为桥面设计标准较低，桥面拱波的厚度不够，再加上混凝土的强度较低以及桥面上的铺装层较薄，致使桥面刚度不够。

1.2.2 钢筋锈蚀

沱河桥局部腹杆以及拱片的1/4跨处出现了弦杆露筋不密实情况，有的地方甚至出现了杂物和混凝土混在一起，大量的钢筋露在外面，这是当时施工质量不好的一个体现。钢筋的腐蚀，使得钢筋的受力面积大大降低，不仅降低了桥梁的承载能力，而且降低了材料的耐久性能，甚至出现构件的突然断裂。

1.2.3 主拱圈病害

主拱圈横断面上缘为现浇钢筋混凝土，拱顶和拱脚处截面刚度相差较大，这种一种悬殊较大的刚度，很容易造成纵向收缩裂缝现象，此外还不利于内力的传递，容易引起由于重车超载而造成的中波纵向裂缝；同时主拱圈的横向联系薄弱，截面纤细的横系梁虽多而密，对拱肋、拱波、拱板而言，只是柔性构件，对拱圈的横向整体性作用非常有限。

1.2.4 桥面破损严重

桥面铺装存在开裂、磨损和骨料外露现象，个别部位出现破碎、塌陷、钢筋外露锈蚀现象。桥头与路堤联系处混凝土横向开裂、台背路面轻微沉陷，并伴有拥抱现象。

2 拱桥加固的有限元分析

本文运用有限元软件（ANSYS）对沱河桥进行加固计算及分析，经软件分析，桥拱宜采用solid64单元的三维实体模型，桥面宜采用shell65单元的三维面模型，桥面厚度应控制在0.3米左右。混凝土的强度控制在C-20，弹性模量控制在2.8×1010N/m2，泊松比选定为0.2。桥面恒荷载取值如下；一侧配置安全带：5.5KN/m；一侧配置栏杆：0.8 KN/m；桥面活荷载取值如下：汽车荷载取汽―20，荷载取挂车―100；人群荷载取4KN/m2。正常使用荷载下的计算结果如图，软件分析表明，拱片的最大应力值为12.5MPa。

2.1 加大截面加固法

由于沱河桥存在抗拉强度不足的情况，可以在原桥底部的受拉区或桥梁侧面增配一些补强主筋，增配后在钢筋上浇筑混凝土，从而增大桥梁的抗弯截面，进而达到提高桥梁承载能力的目的。加固方案中，将原桥拱片的底部截面增高25cm，然后在底部配5根直径为25的钢筋。通过采取加大截面加固法，运用有限元软件ANSYS分析加固后的桥，其应力分布如图3所示，从图中可以得到，在同样荷载的作用下，应力最大值依旧发生在第二片拱肋处，最大值为9.00MPa，小于设计值的12.0MPa，这在一定程度上说明加大截面加固法是可行的。

2.2 桥面加固法

沱河桥此前片拱之间的联系作用很小，缺乏整体受力空间，当荷载集中在其中一片拱片上时，其余三片拱片给予不了承载力支持。针对这种情况，采用桥面加固法，在原桥面上加铺一些钢筋网以及普通混凝土作为桥面补强层。其具体做法是将原桥面改换成现浇刚性混凝土桥面，控制桥面的厚度在300mm左右，钢筋选用？8@150型号。用ANSYS软件对加固后的拱桥进行有限元分析，分析结果如图4。从图4中可以看出，桥面进行加固以后，在相同汽―20荷载作用下，桥拱最大应力值得到了降低，并且之前最大应力值发生在第二片拱片的情况得到了改善，已经逐渐转移到第一片拱片上，于此同时，其它三片拱片应力值都有了一定程度的增加。由此可以说明，采用桥面加固法，不仅增强了桥面的承载能力，而且优化了桥梁下部结构的应力分布情况。

3 综合评价

沱河桥自进行维修加固以来，其客货运交通量已经达到设计指标。由于沱河桥身处永新平原矿区公路，使矿区中心居住区与辅助企业区两区的车辆少绕行了15km，每年节省的运营费高达150万元，不仅便利的当地的交通，而且提高了当地的经济及社会效益。在利于煤矿生产、方便人们生活上起到了积极作用，为此，沱河桥已经被誉为当地的四大景点之一。

沱河桥与已经投入使用的同类型桥梁工程相比，沱河桥的圬工以及钢材用量分别为1.40m/、55kg/，决算价为1950元/，其技术经济指标均低于或接近同类工程水平。

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