摘 要：针对某中承式集束钢管混凝土拱桥的维修加固，结合桥梁病害检测和数值仿真结果，提出了3种桥面系改造加固方案。多方比选的研究结果表明，若不考虑管芯混凝土收缩，拱肋应力偏小，而管芯混凝土压应力偏大，拉应力偏小；采用支架灌注的方法可减小拱肋应力，但会增大管芯混凝土压应力，减小管芯混凝土拉应力；方案2通过将桥面系更换为钢纵、横梁格构体系、更换吊杆可有效改善原拱桥结构受力，提高了结构承载能力。本研究可为同类桥梁加固改造设计提供参考。
关键词：钢管混凝土拱桥;数值仿真;改造加固;钢纵、横梁格构体系;吊杆;
近年来，随着交通运输量的快速发展，重载、超载等不利情况频出。旧桥安全问题日益凸显，桥梁的加固改造已成为我国桥梁工程的重要发展方向之一[1]。钢管混凝土拱桥因桥形优美、结构轻盈，早期得以快速发展[2]。但随着环境的不断变化和使用周期的增长，吊杆会逐渐出现锈蚀和破坏现象，严重威胁着钢管拱桥的正常使用。因此，对钢管拱桥的加固开展研究具有重要工程意义。
在钢管拱桥加固方面，众多学者提出了各种各样的加固方案。王军等[3]针对某中承式钢管混凝土系杆拱桥，提出了可通过减少梁片、增加钢构件等方法，减小恒载，从而提高结构承载能力；陆军[4]通过将原桥面加宽，并采用钢纵、横梁 混凝土桥面板结构、更换吊杆的加固设计方案，改善了结构的应力状态。吊杆作为中承式钢管混凝土拱桥的重要受力构件，其可靠性直接影响拱桥的安全性。针对吊杆病害问题，可采用原位更换的形式[5,6,7]。通常，采用扩张工艺的方式在拱肋上钻孔，在原位置更换新吊杆，但该方法会损坏拱肋，影响拱肋局部受力，因而存在一定的局限性。除此之外，有学者提出了可在既有吊杆附近增加新吊杆的方法，实现新吊杆替换旧吊杆或新旧吊杆协同受力的目标，该方法对旧吊杆性能要求较高[8,9,10,11]。
本研究以某中承式集束钢管混凝土拱桥为研究对象，结合原桥病害检测和数值分析结果，对该桥进行加固设计，为同类桥梁加固改造提供参考。
1 工程背景1.1桥梁概况某桥孔跨布置为2×30 m(引桥) 1×100 m(主桥) 15×30 m(引桥),全长675.38 m。主桥为中承式集束钢管混凝土平行肋拱桥，计算跨径为100 m。主桥矢跨比为1/4,拱轴线为m=1.543的悬链线，拱肋采用“品”字形三管集束式截面。桥面系以上拱肋间不设置横撑，桥面系以下设置4道带斜撑的横撑。全桥共设13对双吊杆，4对拱上立柱，17根横梁，如图1所示。主桥桥面板原设计采用C25钢筋混凝土实心板，2011年更换为C35钢筋混凝土空心板。主桥宽16.5 m, 双向4车道，两侧各布置2.25 m宽人行道。
1.2病害现状通过对主桥分别进行专项检测、静载试验和动载试验，桥梁技术状况等级评定为四类，属于“差”的状态，具体测试结果如下。
(1)专项检测。通过敲击拱肋钢管，发现拱肋存在大量空响现象，表明钢管内混凝土存在局部脱空，脱空部位主要集中在靠近桥面内侧拱顶段的钢管及管间连接钢板处。
吊杆钢套筒表面锈蚀严重，索力测试正常。但由于本桥使用周期较长，吊杆及上下锚头长期受疲劳和冲击破坏影响，因而存在一定的安全隐患。
横梁存在较多裂缝，局部出现混凝土剥落、露筋锈蚀及少量水渍的现象；纵梁出现裂缝，且存在落梁隐患。
图1 桥梁总体布置
单位：cm
桥面板出现大量横向贯通裂缝，部分桥面板表现为破损、凹陷、露筋；较大面积的桥面铺装被磨光，出现露骨、开裂及破损现象；人行道板出现破损、开裂现象，且伸缩缝处跳车严重；拱上立柱顶端的油毛毡简易支座普遍存在挤压破坏现象等。
(2)静载试验。静载试验分析发现，主桥在加载过程中基本呈弹性，卸载后变形可基本恢复，主要测点的相对残余变形小于20%;各试验工况下，均未发现新增裂缝，基础亦未发生明显的不均匀沉降。
(3)动载试验。脉动试验结果表明，本桥弯曲频率实测值大于理论计算值，实测振型与计算振型基本一致；本桥刚度满足设计要求；桥梁实测最大阻尼比D=0.065 6,符合要求；跑车和跳车试验测试结果表明试验冲击系数大于理论计算值。
检测结果表明，在试验荷载作用下，本桥主要承重构件处于弹性工作状态；主桥承载力虽满足正常使用要求，但安全储备偏低。因此，应对存在安全隐患的拱肋、横梁、吊杆、桥面板等结构进行加固处治。
1.3病害分析结合本文原桥结构核算结果，核查原桥竣工图资料及2010年维修加固(更换主桥桥面板)竣工图资料，分析主桥病害成因主要包含以下多方面。
(1)超载。
作为交通要道，该桥建成以后，当地很多基建项目的运输车辆于本桥通行，而原桥设计荷载等级相对较低，故该桥为超负荷服役。
(2)桥板的单板受力。
本桥上部原设计为1 m宽的预制桥面板，板间为企口铰缝。而实际工程中发现该类型铰缝易破坏，使得梁板成为“单板受力”状态。进而，在2010年更换桥板时，采用了70 cm宽的预制板和30 cm湿接缝。但湿接缝较窄难以保证钢筋的锚固要求和浇筑质量。
(3)拱桥结构“简单悬吊体系”。
20世纪90年代初期～2005年间，国内公路拱桥大多都按“简单悬吊体系”、“搭积木”设计，容易发生因一根吊杆断裂而导致整个桥面坍塌的现象[12,13]。
(4)受吊杆结构、钢结构等耐久性防护工艺水平的制约，历经多年，本桥吊杆、拱肋等钢构件大多已锈蚀。
(5)地震的影响。
本桥经历了“5·12汶川地震”及“4·20雅安庐山地震”,病害检测表明桥面系存在水平偏位。
2 原桥复核计算2.1有限元模型为了研究主桥在加固前的受力状态，采用Midas/Civil软件对主桥进行了静力和稳定性分析，原桥有限元模型如图2所示。其中，拱肋、吊杆、横梁均采用梁单元模拟，桥面板采用纵、横向梁格单元模拟。荷载工况主要分为两种工况，分别为：① 恒载工况；② 恒载 汽-20级/挂车-100级 人群 温度荷载工况。
图2 有限元模型
2.2静力分析从竣工资料来看，并不清楚拱肋钢管架设是支架分段搭设拼焊，还是少支架吊装拼焊，因此本研究讨论了有、无支架灌注施工方法对拱桥结构内力的影响。鉴于3根集束钢管管芯混凝土分期灌注，本研究对原桥结构核算分析时，同时讨论了管芯混凝土的收缩对原结构内力影响。
拱肋集束钢管的应力随施工方法变化的结果如图3所示。
图3 拱肋应力
(1)当灌注方式为无支架灌注时，两种工况下，无论是否考虑管芯混凝土收缩，集束钢管均为全截面受压；集束钢管最大压应力为171.4 MPa, 最小压应力为20.7 MPa, 满足规范要求。
(2)当灌注方式为支架灌注时，在“恒载”工况下，集束钢管均为全截面受压；而在“恒载 汽车-20级/挂-100级 人群 温度荷载组合”工况下，若考虑管芯混凝土收缩，拱肋出现拉应力，拉应力最大为34.2 MPa, 满足规范要求。
(3)若不考虑管芯混凝土收缩对结构的的影响，拱肋应力偏小；相同条件下，无支架灌注下拱肋应力明显大于支架灌注施工，因而采用支架灌注的方法会减小拱肋应力。
管芯混凝土应力随施工方法变化的结果如图4所示。
图4 管芯应力
(1)当灌注方式为无支架灌注时，在“恒载”工况下，管芯混凝土全截面受压；而在“恒载 汽车-20级/挂-100级 人群 温度荷载组合”工况下，若考虑管芯混凝土收缩，管芯混凝土最大拉应力为6.3 MPa, 拉应力超限不满足规范要求。
(2)当灌注方式为支架灌注时，在“恒载”工况下，管芯混凝土仍为全截面受压；而在“恒载 汽车-20级/挂-100级 人群 温度荷载组合”工况下，若考虑管芯混凝土收缩，管芯混凝土最大拉应力为3.8 MPa, 不满足规范要求；若不计收缩，管芯混凝土不出现拉应力。
(3)管芯混凝土的应力随施工方法和管芯混凝土收缩变化较大。在工况2条件下，若考虑管芯混凝土的收缩，采用支架灌注时管芯混凝土的最大压应力比无支架施工增大了0.9 MPa, 拉应力反而减少了2.5 MPa; 若采用无支架灌注，不考虑管芯混凝土收缩比考虑管芯混凝土收缩的最大压应力增高0.6 MPa, 拉应力降低1.7 MPa。
因此，管芯混凝土的灌注施工方案和收缩对拱肋钢管、管芯混凝土的应力影响较为显著。相比之下，吊杆内力基本不随管芯混凝土的收缩而变化。
吊杆计算结果见表1。
表1 吊杆检算
|
荷载工况 |
内力kN内力kΝ |
应力MPa应力ΜΡa |
|
恒载 |
382.6 |
161 |
|
恒载 汽车-20级 人群 温度 |
657.6 |
277 |
|
恒载 公路Ⅱ级 人群 温度 |
616.6 |
260 |
|
汽车-20级、挂车-100级 |
241.1 |
101 |
|
公路Ⅱ级活载 |
200 |
84 |
|
人群活载 |
25.1 |
11 |
(1)在汽车-20级、挂车-100级荷载工况下，吊杆应力达到101 MPa, 容易诱发吊杆疲劳破坏。这是因为原桥面系为简单悬吊体系，无受力连续纵梁，轮载通过吊杆横梁时，相邻吊杆不参与活载内力分配。
(2)吊杆安全系数均大于6,满足规范要求。
考虑横向风荷载影响，对本桥进行屈曲稳定性分析。经计算，拱肋的最低稳定系数大于9,稳定性满足规范要求。因此，不需提高拱肋横向稳定性。
3 加固设计3.1桥面系改造结合本桥病害检测资料和原结构核算分析结果，本研究提出了3种桥面系改造加固方案。
方案1:保留原吊杆、原预应力混凝土横梁，于横梁上植锚栓，加钢板套，增设钢结构纵梁。同时，采用钢—混结合梁桥面板，桥面铺设5 cm厚沥青混凝土，如图5(a)所示。
方案2:将横梁替换为钢横梁，更换吊杆，采用钢纵梁 钢—混结合梁桥面板，桥面亦铺设5 cm厚沥青混凝土。本方案在方案1的基础上，进一步将原预应力混凝土横梁更换为钢横梁，同时更换吊杆，如图5(b)所示。
方案3:不更换横梁和吊杆，仅增设钢纵梁；同时，采用宽幅预制钢筋混凝土桥面板(湿接缝为50 cm),桥面铺设亦5 cm厚沥青混凝土，如图5(c)所示。
图5 桥面系布置方案
3种改造方案下拱肋的应力结果如图6所示，由图6可知如下。
(1)3种改造方案下拱肋的最大应力为：方案2<方案1<方案3,表明方案2减小了恒载，可显著改善主拱圈拱肋内力。
(2)考虑管芯混凝土收缩时，拱肋最大应力比不计收缩时高约22MPa, 最小应力比不计收缩时高约27 MPa, 这进一步表明管芯收缩对拱肋应力影响显著。
3种加固方案对吊杆索力的影响结果如图7所示。荷载工况分为4种，分别为：① 恒载工况；② 恒载 汽-20级 人群 温度荷载工况；③ 汽-20级、挂车-100级工况；④ 人群活载工况。
由图7可知：活载作用下，短吊杆和长吊杆索力随加固方案变化幅度较小；与拱肋应力结果一致，采用方案2,短吊杆和长吊杆的索力最小，方案1次之，方案3的吊杆索力最大。在恒载作用下，方案2的短吊杆的索力相比方案1和方案3分别减小了74、138 kN;长吊杆的索力相比方案1和方案3分别减小了57、110 kN。因此，通过改造桥面系、更换吊杆，可有效提高拱桥的承载能力。
进一步地，从工程角度综合分析3种改造方案，结果见表2。
图6 拱肋应力
图7 吊杆索力
结构方面，原预应力混凝土吊杆横梁及混凝土桥面板病害严重，主拱肋刚度相对较弱，且桥面系为整体刚度较弱的简单悬吊体系。而方案3直接更换桥面板未能改善原桥状态，因而本次加固设计将桥面系更换为钢结构纵、横梁格构体系较为合理。
造价方面，方案1造价较高，钢纵梁后期需要涂装维护，但可减小恒载，改善主拱圈受力状态。方案3造价较低、后期养护相对经济，但并未从根本上改善主拱圈受力、解决吊杆病害问题。相比之下，方案2造价虽较高，却避免了直接在原预应力混凝土横梁上植筋、增设锚栓对原横梁带来的损伤，施工难度相对较小。同时，由于吊杆使用周期较长，结合2.2节中原桥吊杆内力分析结果，本次加固设计考虑更换吊杆。因此，方案2为推荐方案。
3.2吊杆更换新吊杆拟采用目前国内应用较为广泛的钢绞线整束挤压成品吊杆，吊杆采用环氧涂层预应力钢绞线。吊杆锚头采用尺寸小、锚固可靠性较高的整束挤压锚固套，两端与拱、梁相接处为叉耳销接构造，方便检修和后期更换。原则上，新吊杆和原吊杆按“等强度”进行替换。
原桥为单个吊点纵向双吊杆结构，吊杆采用1860级镀锌121-7ϕ5钢束，配套镦头锚具。本次加固设计将1号、13号改为单吊杆结构，采用外径ϕ90 mm、40Cr高强合金钢吊杆。2号～12号吊杆仍为纵向双吊杆结构，采用1860级成品环氧涂层钢绞线整束挤压型吊杆，规格为GJ15-12,单根拉杆设计破断索力为312 t。
表2 维修加固方案综合比较
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方案 |
方案1 |
方案2 |
方案3 |
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施工方案 |
吊装施工，全封闭，半幅施工 |
吊装施工，全封闭，无法半幅施工；自跨中向两端拆除和安装 |
吊装施工，全封闭，半幅施工 |
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养护难易程度 |
增加钢构件较多，养护难度增加 |
增加钢构件较多，养护难度增加 |
增加钢构件较少，养护相对容易 |
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工期 |
6个月 |
8个月 |
5个月 |
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造价 |
中 |
高 |
低 |
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优点 |
①减轻恒载，在一定程度上可改善主拱圈受力；②桥面系更改为连续纵、横梁格体系，增加了结构整体性，优化吊杆受力，提高了结构整体安全性；③桥面铺装改用沥青铺装，行车舒适度提高；④加固费用适中 |
①相比于方案1,桥面系改造较为彻底，钢结构加工简单，加固施工工艺相对简单，可靠性高；②桥面系更改为连续纵、横梁格体系，加强了整体刚度，优化了吊杆内力；③可确保1组吊杆断掉不垮桥，较大幅度提高结构安全性 |
①保留原拱圈、吊杆，基本不做较大改动，仅更换原桥面板和铺装，加固费用较低；②加固施工工艺简单，工期最短；③桥面系仍为混凝土桥面板，后期维护成本较低 |
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缺点 |
①在既有混凝土横梁上植入大量锚栓，增设钢纵梁，对原结构损伤较大，施工难度较大，工期较长；②钢纵梁后期养护成本略高；③未从根本上解决吊杆病害和隐患 |
①拱上锚点需重新做构造处理，对原主拱需要做补强处理，施工难度较大；②钢横、纵梁后期养护成本略高；③原结构仅保留了主拱圈，改造幅度大，改造加固费用偏高 |
①未有效解决原结构主拱圈受力状态；②未从根本上解决吊杆病害和隐患 |
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比选结论 |
比较方案 |
推荐方案 |
比较方案 |
经计算，更换桥面系后桥面系恒载减小。恒载下，吊杆的最大索力由37.6 t降低为26.3 t; 恒、活载组合下，吊杆的最大索力由64.2 t降低为47.3 t; 吊杆安全系数为6.6,表明新吊杆具有足够的安全储备。
由于构造上的特殊性，原结构拱肋上吊点墩头锚具已全部锚入拱肋钢管混凝土内，难以检测其疲劳、锈蚀状态。而现场打开，上锚头为钢丝并非钢拉杆，故不能直接接长利用。若采用原位钻孔施工，风险较高，工期较长。因此，本研究针对上锚头设计了索夹式吊杆，索夹构造如图8所示；吊杆下锚固端设于钢横梁底，如图9所示。
4 结语结合原桥病害检测和有限元分析结果，提出了改造桥面系、更换吊杆的加固设计方案，得到的主要结论如下。
(1)管芯混凝土的收缩对拱肋、管芯混凝土的应力影响显著，而对吊杆内力影响较小。若不考虑管芯混凝土收缩，拱肋应力偏小，而管芯混凝土压应力偏大，拉应力偏小。
图8 吊杆上锚点索夹构造
图9 吊杆下锚端构造
(2)相同条件下，采用支架灌注的方法可减小拱肋应力；同时，会增大管芯混凝土压应力，减小拉应力。
(3)方案2通过将桥面系更换为钢结构纵横梁格构体系、更换吊杆等措施可降低恒载，有效提高了结构承载力，为本次加固设计推荐方案。
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