钢箱加固法在双曲拱桥加固中的应用研究

陈彪

（中铁一院新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆乌鲁木齐830011）

钢箱加固法在双曲拱桥加固中的应用研究

陈彪

（中铁一院新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆乌鲁木齐830011）

钢箱加固法是一种新型的加固方法，其具有加固效果显著、施工方便、加固后结构整体稳定性好、抗扭刚度大等特点，特别适合于梁、拱式桥梁的主要构件加固。分析钢箱加固法加固桥梁的主要原理，并将其应用于双曲拱桥的加固。通过理论分析，并结合实验结果评估了桥梁的加固效果。分析结果表明：双曲拱桥采用钢箱法加固以后，其应力和挠度均得到较大的提高，取得了良好的加固效果，说明钢箱加固法可以用于双曲拱桥的加固。

钢箱加固法；双曲拱桥；加固机理；加固效果

双曲拱桥主拱圈施工时采用“化整为零、集零成整”的施工方法，造成拱圈在构造上横向稳定性不足，容易出现裂缝。在使用工程中，荷载作用下裂缝的进一步扩展导致主拱圈承载力不足，进而影响桥梁的使用性能。双曲拱桥主拱圈常见的加固方法主要有：粘贴钢板法、增大截面法［1］、粘贴碳纤维布等。普通的粘贴钢板加固对于提高拱圈的抗压性能很有限；粘贴碳纤维布主要用于构件抗剪加固，对于增大拱圈的抗压性能基本不起作用；增大截面法占据空间较大，影响桥梁净空。在这种情况下，选择一种安全可靠、加固效果显著的加固方法尤为重要，钢箱加固法就是在这种情况下产生的。

本文主要分析了钢箱加固法的作用机理，并将其应用于双曲拱桥的加固，分析了加固效果，分析结果可以为类似桥梁的加固提供一定的参考。

1 钢箱加固法

钢箱加固法［2－3］和普通粘贴钢板加固法相比，既有相同点，也有不同点。其相同之处在于加固所用的材料一样，都用粘结剂和加固钢板。其区别在于钢板的布置方式和施工方法不同，如图1所示，钢板加固法是直接将钢板粘贴在梁的底部，或者同时在梁侧面粘贴钢板形成U形刚箍，再将侧面钢板和底面钢板通过焊接连接成整体。而钢箱加固法则是先在梁底面粘贴钢板，然后侧面钢板向下伸出一段距离，形成箱室，最后将侧面钢板和底面钢板焊接，补全焊接箱室的底面钢板形成空箱。施工上的不同点在于钢箱法在形成箱室后，还要向箱室内填入微膨胀混凝土。与粘钢法相比，钢箱法的优点是底面钢箱内填充混凝土后，形成钢箱—混凝土组合结构，使得结构的整体稳定性大大优于普通粘钢加固梁。同等条件下，其承载力提高幅度也较大。

图1 粘贴钢板法与钢箱加固法区别示意图

2 钢箱加固法作用机理研究

钢筋混凝土梁是由钢筋和混凝土两种力学性质差异很大的材料组成的受弯构件。混凝土抗压性能好，抗拉性能差，抗拉强度仅为抗压强度的1／10左右；而钢筋的抗拉、压性能都好。对于混凝土的受弯梁，在荷载作用下，中性层以上部分为受压区，中性层以下部分为受拉区。由于混凝土抗拉强度很低，在不大的荷载作用下，纯混凝土梁就会在受拉区开裂而破坏，此时受压区混凝土的抗压强度却没有被充分利用。由于钢材的受拉性能较好，如果在梁受拉区下边缘配置适量的钢筋，利用钢筋代替混凝土受拉，使得受压区混凝土的抗压强度能充分发挥，这样就可以提高梁的承载力。进一步分析可知，只要在适筋范围内，梁截面配筋率越大，梁截面参与受压的混凝土越多，梁的抗弯性能越好。而对于少筋梁，由于配筋过少，受压区混凝土还未充分发挥作用，钢筋就已经被拉断了。这说明少筋梁和适筋梁都有可能在提高配筋率的条件下使更多的混凝土参与受压，从而提高梁的抗弯性能［4］。当要较大幅度的提高构件的承载力时，普通的钢板加固对承载力的提高有限，不能达到我们所期望的要求。钢箱加固法就是基于此原理产生的一种钢筋混凝土梁、拱补强措施。对于已经浇注完成的钢筋混凝土梁出现抗弯能力不足时，可以通过结构胶将钢箱粘贴在混凝土梁受拉区的外边缘，然后在箱体里填充满微膨胀混凝土，形成钢箱—混凝土组合结构［5］。利用钢箱—混凝土组合结构良好的结构性能来补充原构件抗力不足，使更多的混凝土参与受压，从而大大提高梁的抗弯性能，达到结构补强的目的。

3 工程实例

3.1 工程概况

S309线湟水公路桥位于临夏市永靖县，该桥始建于1968年9月，于1969年投入运营。全长214.24 m；结构为上承式钢筋混凝土空腹式等截面悬链线双曲拱桥，跨径布置为：4m×45m，桥面宽度：净5.5 m＋2×0.45 m，无纵坡，横坡为1.5%；主拱圈断面尺寸为：30 cm×45 cm，拱轴系数为：4.324，矢跨比为：1／8，全拱断面系四肋三波，拱肋分三段预制，采用300＃钢筋混凝土，主拱圈厚度为0.85m，拱上为0.25m厚桥面板，两侧各悬出0.75 m，沿桥纵向每肋间共设15道12号槽钢横系梁，拱波为200＃混凝土预制块，矢跨比1／2.85的圆弧拱，厚度8 cm；腹拱系钢筋混凝土圆弧拱，矢跨比1／2，腹拱墩间净距3.0 m，厚度0.4 m，腹拱材料为200＃混凝土预制块；桥面板为现浇150＃钢筋混凝土；下部结构采用空腹式U型桥台，明挖扩大基础，桥墩为圆端形实体墩，沉井基础；本桥的设计荷载为：汽－13、拖－60级，加固前桥梁全景如图2所示。

图2 加固前桥梁全景图

通过对湟水河桥现场勘查，发现桥梁的主要病害集中在以下几个方面：①拱肋顶部明显下沉，拱轴线变形，造成桥面呈现波浪形，侧墙严重开裂；②腹拱处微弯板破碎剥落；③人行道栏杆破损。造成病害的原因主要是：①双曲拱桥整体性不好，不利于横向内力和变形的传递，横向联系薄弱，桥面防水功能差，致使拱底渗水；②施工条件所限，采用将拱肋分三段预制安装的无支架施工方法，在拱肋预制时由于预拱度预留不准确，拱肋安装后拱轴线有偏离设计拱轴线的现象；③设计荷载较低，不能满足当前的交通需求，长期的超载运营，使得主拱变形严重。主拱拱顶下沉使得部分拱波被压碎，侧墙开裂，腹拱错位，桥梁线形呈波浪形。

3.2 加固方案

针对湟水河桥存在的病害情况，经过多方论证，决定采用如下加固方案［6－7］：拱肋采用钢箱法加固，在主肋肋底沿纵向粘贴H型钢构件，H型钢构件由两块宽225mm的钢板和一块宽300mm的钢板焊接而成，安装完H型构件用宽300 mm的钢板封口使底部形成封闭的钢箱结构，钢板均采用Q235A型钢板，钢板厚度为6 mm。用膨胀螺栓沿桥纵向锚固粘贴在肋底的钢板，用双头螺栓锚固腹板两侧钢板，在原横系梁处增设宽为200mm的钢板，将该钢板和钢箱焊接为整体，在新增横系梁的下方也采用同样的锚固钢板，连同钢箱焊接为整体，如图3所示。对现有的横系梁采用浇筑混凝土来加强，在每隔两道原横系梁的位置增设一道新横系梁，每跨增设12道，全桥共增设48道；更换桥梁的铺装层、伸缩缝、人行道栏杆；扶正腹拱；侧墙及拱波裂缝采用环氧树脂修补。修补完成后对侧墙、立柱及边拱肋外缘涂刷一层2mm厚水泥浆。

房屋定着物单元除了应满足实体上的“界限固定且具有独立使用价值”外，还应是建筑工程设计方案中明确的并经规划管理部门审核认定的基本单位。

图3 湟水河桥拱肋钢箱加固后断面图（单位：cm）

3.3 加固效果分析

3.3.1 有限元模型建立

湟水河桥在采用钢箱法加固后，采用桥梁计算专用软件midas civil 2012建立全桥的有限元模型，为了计算方便，取全桥一跨作为研究对象，其中钢筋和混凝土采用整体式建模，除了拱波采用板单元模拟，别的构件一律采用梁单元来模拟。钢箱和拱肋采用分离式建模，二者以刚接处理，不考虑材料的非线性效应，桥梁的病害情况根据桥梁状态评估结果，通过单元刚度适当折减来模拟。全桥共计1 352个节点，808个板单元，609个梁单元，全桥有限元计算模型如图4所示。图5为钢箱和混凝土建模细部构造图；图6为桥梁的跨中对称加载模型，图7～图8为桥梁计算一阶振型。

图4 湟水河桥整体有限元模型

图5 湟水河桥局部有限元模型

图6 湟水河桥1／2 L处双车对称加载模型

图7 第一阶竖向振型（6.969Hz）

图8 第一阶横向振型（5.269Hz）

3.3.2 荷载实验

（1）静载实验

S309线湟水河桥行车道宽度 w＝4.50 m，根据《公路工程技术标准》［8］（JTG B01－2003）的相关规范要求，桥梁静载试验按单车道布置试验车辆。根据控制截面的内力影响线，试验采用2辆总重330 kN加载车进行等效加载，使控制截面的内力与设计活载作用下的弯矩之比满足试验荷载效率的要求。实验中，位移主要测试截面为每跨的1／4截面、跨中截面、3／4截面；应力测试截面为3＃桥墩所在处的拱脚截面，共计两个截面8个测点，如图9、图10所示。

图9 静载测试截面

图10 应力及位移测点布置示意图

加载时，全桥结构的静载试验共分7种工况，分别是：

工况1：按第一跨拱顶截面弯矩影响线单车对称布载；

工况2：按第一跨拱顶截面弯矩影响线双车对称布载；

工况3：按第一跨3／4L截面弯矩影响线和第二跨1／4L截面弯矩影响线分别按单车同时对称布载；

工况4：按第二跨拱顶截面弯矩影响线双车对称布载；

工况5：按第三跨拱顶截面弯矩影响线双车对称布载；

工况6：按第四跨拱顶截面弯矩影响线单车对称布载；

工况7：按第四跨3／4L截面弯矩影响线单车对称布载；

限于篇幅，现将部分静载实验结果、理论计算结果列入表1、表2。

表1 湟水河桥第二跨各测点竖向位移理论值、实测值、ηw单位：mm

表2 湟水河桥钢拱箱下缘钢板各测点应力 单位：MPa

（2）动载实验

桥面共布置5个动测试验测点，其中脉动试验测点包括两个竖向测点和两个横向测点，跑车试验测点包括一个竖向动位移测点。测点具体布置如图11所示。

图11 动载试验测点布置图（单位：cm）

通过对自然激励响应测得数据的模态辨识，得到前两阶振动模态频率值，结果见表3。

表3 自振频率值

（3）加固效果分析与评价

（a）加固前后主拱肋抗弯、抗压承载能力结果比较见表4。

表4 加固前后主拱肋抗压承载能力计算结果比较单位：kN

（b）加固前后主拱肋截面挠度结果比较见表5。

（c）动力特性比较见表6。

由表4～表6可知，湟水河桥拱肋采用钢箱法加固以后，从拱肋抗压承载力方面来看，1／4L处承载力提高了9.7%，拱顶处提高了17.8%，提高幅度较大；从应力方面来看，拱肋加固以后应力减少了约14.1%，这说明加固以后拱肋的承压面积增加了；从动力特性方面来看，桥梁加固以后竖向提高了15.8%，横向提高了12.0%，这说明钢箱加固以后，桥梁的整体刚度加大，承载力提高。综上所述，湟水河桥采用钢箱法加固以后，桥梁的承载力、应力、挠度、动力特性等都得到了较好的改善，达到了预期的效果。而且根据以往经验，同等条件下，和粘贴钢板加固法相比，钢箱加固法也较为经济。

表6 湟水河桥加固前后动力特性频率比较 单位：Hz

4 结 语

通过钢箱加固法在湟水河桥中的加固应用及加固效果评价分析可以知道，桥梁采用钢箱法加固以后，其挠度和应力均得到较大的改善，承载力得到较大的提高，加固以后的桥梁能够满足现行荷载标准的要求，达到了预期的加固效果。这说明钢箱法在双曲拱桥的加固中有明显的优势，应当推广应用。

［1］ 赵 川，王起才，王艳艳.增大截面法进行双曲拱桥加固的研究［J］.水利与建筑工程学报，2009，7（3）：107-109，126.

［2］ 吴俊章.湖北芳畈双曲拱桥钢箱法加固效用分析研究［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

［3］ 周榕辉.钢箱拱法加固双曲拱桥的研究及应用［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

［4］ 李文盛.粘钢加固钢筋混凝土梁的试验研究与理论分析［D］.武汉：武汉理工大学，2002.

［5］ 钟新谷，莫时旭，舒小娟，等.钢箱混凝土组合结构［M］.北京：科学出版社，2012.

［6］ 兰州交通大学勘查设计院.S309线湟水河桥维修加固工程施工图设计［Z］.兰州.2011.

［7］ 中交第一公路勘察设计研究院有限公司.JTGTJ22－2008.公路桥梁加固设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［8］ 中华人民共和国交通部.JTG B01－2003.公路工程技术标准［S］.北京：人民交通出版社，2003.

Study on Application of Steel Box Strengthening Method in Reinforcement of Double-curved Arch Bridge

CHEN Biao
（Zhongtie Yiyuan Xinjiang Railway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang 830011，China）

Steelbox strengtheningmethod（SBSM）is a new reinforcementmethod featured with remarkable effect，convenient construction，wellwhole-stability after reinforcing，excellent torsion rigidity and so on，especially，it is fitted to reinforce the structures such as beam and arch bridge.The dominantmechanism of bridge strengthening with the SBSM is analyzed here，and it is applied to the consolidation of double-curved arch bridge.Besides，the reinforced effect of the bridge is evaluated combined with the theoretical analysis and experimental results.The analysis results show that the double-curved arch bridge’s stress and deflection are improved prominently after reinforcingwith the SBSM and the perfect reinforcing effect is achieved.So the SBSM could be applied to double-curved arch bridge’s reinforcement.

steel box strengtheningmethod（SBSM）；double-curved arch bridge；reinforcementmechanism；reinforcement effect

U445.7＋2

A

1672—1144（2014）01—0045—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.010

2013-09-20

2013-10-10

甘肃省科技支撑计划—工业计划项目（0708GKCA005）

陈 彪（1986—），男，甘肃平凉人，硕士，助理工程师，主要从事桥梁勘测与设计方面的工作。