剛架拱橋病害加固及其加固后的運營評價

蔡紀鋒

長沙理工大學橋梁與結(jié)構(gòu)工程學院  41000

1、引言

    剛架拱橋是我國70年代發(fā)展起來的一種新型拱橋，它是在我國傳統(tǒng)的雙曲拱橋、桁架拱橋等橋型的建設(shè)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，并結(jié)合斜腿剛構(gòu)橋的特點發(fā)展演變而來的一種橋型。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，公路交通量不斷增加，公路橋梁負荷日益加重，加之橋梁的不斷老化、破損或受原設(shè)計荷載標準的限制，現(xiàn)役剛架拱橋較普遍存在承載力不足、病害加劇等問題，原有剛架拱橋設(shè)計理論不成熟以及施工經(jīng)驗不足等方面的缺陷顯得更為突出，嚴重影響了正常的交通運輸，亟待進行橋梁的檢測和加固。

2、剛架拱橋病害分析與加固

    隨著交通量的劇增，剛架拱橋在運營一段時間后，混凝土、開裂是一種較為普遍的現(xiàn)象，這種病害的發(fā)生既有外界的因素也有內(nèi)部因素，不同類型的裂縫產(chǎn)生的原因不同，對結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的影響也不同，現(xiàn)就病害現(xiàn)象及其成因和加固技術(shù)探討如下：

    2.1典型病害

    通過調(diào)查分析，現(xiàn)役剛架拱橋病害主要表現(xiàn)歸納如下：

    (1)微彎板主要病害有開裂、穿孔、斷裂甚至塌陷，其主要裂縫一般發(fā)生在微彎板底面及板肋下緣。

    (2)橫系梁常存在較多裂縫，部份節(jié)點連接處出現(xiàn)節(jié)點弱化現(xiàn)象，橫系梁脫落。

    (3)拱片弦桿和實腹段多出現(xiàn)大量裂縫，正彎矩區(qū)由下向上延伸，負彎矩區(qū)則相反。拱腳也因剛度不足，產(chǎn)生上緣開裂，大、小節(jié)點處多出現(xiàn)大量裂縫。

    (4)橋面板較普遍存在大量開裂，部分裂縫屬于微彎板接縫開裂或板本身裂縫反射到橋面上，形成有規(guī)則的縱、橫向網(wǎng)狀裂縫，同時橋面負彎矩區(qū)也產(chǎn)生較嚴重開裂。

    2.2病害原因分析

    微彎板或肋腋板破壞主要由于車輪荷載直接作用在其上形成集中力改變了邊界條件，加之微彎板厚僅6cm(1983年的“剛架拱橋定型圖”)，配筋較少，局部強度低造成。橫系梁的裂縫形態(tài)多是豎向的斷裂裂縫，這主要是微彎板的側(cè)向水平推力作用使橫系梁受拉所致。主拱腿根部、斜撐拱腳處產(chǎn)生裂縫，主要原因是橋墩剛度偏小，水平位移偏大。主拱肋實腹段跨中部份的裂縫，主要是由于跨中撓度較大，而且主拱腿拱腳處開裂后，拱腳剛度變小，因而分配到跨中的內(nèi)力比例增大，導致了跨中下緣形成裂縫。

    橋面裂縫的形成原因主要有3個方面：一是預制安裝的微彎板之間縱向無任何鋼筋連結(jié)，在主拱肋上搭接寬度太小板和板的橫向連接不夠，導致了負彎矩區(qū)縱向剛度和強度不足，進而造成整體剛度和強度不足；二是在超重車動力效應(yīng)下，由于預制板塊之間連接欠佳，連接縫反射到橋面上，極易形成橋面裂縫；三是橋面的檢查維修不及時，在橋面出現(xiàn)小面積的破損時養(yǎng)護措施沒有及時跟進，導致破損的范圍不斷擴大，最終由點及面形成破損帶，嚴重影響行車質(zhì)量和橋梁的結(jié)構(gòu)整體性能。

    原剛架拱橋設(shè)計采用容許應(yīng)力法控制結(jié)構(gòu)的承載能力，按平面桿系理論，用彈性支撐連續(xù)梁的簡化方法計算結(jié)構(gòu)荷載在橫向分布和縱向的內(nèi)力，在計算時不能考慮結(jié)構(gòu)的橫向聯(lián)系構(gòu)件真實的受力結(jié)構(gòu)形式，導致某些構(gòu)件或部位內(nèi)力計算不準確。如作用于單個拱片上的集中荷載需在其他拱片上進行橫向分布，這樣實際結(jié)構(gòu)在橫向要有足夠強大的聯(lián)系剛度，而實際橋梁設(shè)計中，由橋面鋪裝、微彎板及橫系梁組成的橫向聯(lián)系剛度相對偏弱，與計算模式有一定差距。

    剛架拱橋拱片與橋面系組合后形成的T形截面為組合截面，應(yīng)按組合截面進行強度計算和裂縫驗算，而實際拱片與橋面系組合后形成的T形截面的配筋設(shè)計參考國內(nèi)有關(guān)設(shè)計定型圖按普通T形截面進行強度計算和裂縫驗算，強度計算和裂縫驗算的結(jié)果與采用應(yīng)力疊加的組合截面計算結(jié)果相比，裂縫寬度驗算中的鋼筋應(yīng)力值偏小，結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計偏不安全。

    2.3加固處置辦法

    在橋梁加固前，應(yīng)根據(jù)剛架拱橋常見病害和受力性能，驗算各部位受力情況，制定加固方案，主要加固方案有以下幾種：

    (1)加厚橋面鋪裝混凝土。為了增大橋面板剛度，鑿除原橋面混凝土，更換已經(jīng)破損的微彎板，增加橋面鋼筋，增厚橋面鋪裝混凝土。為加強橋面板與原結(jié)構(gòu)的連接，主肋兩側(cè)填平層凹槽與橋面板同時澆筑成整體。

    (2)加強橫向聯(lián)系。一般對裂縫進行壓漿處理，外包鋼筋混凝土an大橫系梁截面，適當增設(shè)橫系梁，橫向施加預應(yīng)力。

    (3)拱片加固改造。對于裂縫不多，裂縫寬度不大的情況，一般采用對裂縫進行壓漿，外包鋼筋混凝土加大拱片截面，對拱片拱頂、主拱腿與實腹段連接處、大、小節(jié)點、上弦桿開裂處粘貼鋼板補強，對于破壞嚴重的拱片，應(yīng)進行更換。

    (4)微彎板加固。更換伸縮縫兩端微彎板為簡支板再橫向連續(xù)，對裂縫壓漿處理，對板與拱片間的空隙灌漿加強。、

3、工程實例

    3.1某剛架拱橋病害檢測與加固

    某高速公路橋為左右線分幅單孔凈跨35m鋼筋砼剛架拱橋，設(shè)計荷載為汽一超20、掛-l20。單幅橋?qū)?/span>12．85m，由四個拱片組成，矢跨比l/8，拱片中距3．35m。橋面由預制微彎板與現(xiàn)澆砼填平層及橋面鋪裝層組合構(gòu)成。橋梁基礎(chǔ)為明挖片石砼，下部結(jié)構(gòu)為重力式組合橋臺。該橋于l997年建成通車，橋梁橫斷面如圖一。

    3.1.1橋梁病害檢測

    經(jīng)對橋梁進行了外觀檢查和橋梁靜動力荷載試驗，結(jié)果表明，橋梁現(xiàn)狀不能滿足設(shè)計荷載的正常使用要求，橋檢結(jié)果歸結(jié)如下：

    (1)外觀檢測：拱肋實腹段和上弦桿裂縫共77條，縫寬0.08mm一0.20mm，局部出現(xiàn)露筋、蜂窩；大節(jié)點處1#和2#肋間的l型橫系梁出現(xiàn)一條寬0.20 mm，長l00cm的豎向裂縫，橫系梁與肋結(jié)合處部份砂漿脫落；大部分微彎板的加勁肋開裂，縫寬0.08mm一0.20mm，開裂至板底，跨中附近出現(xiàn)局部邊角開裂，2#、3#、4﹟上弦桿間的第一塊微彎板出現(xiàn)裂縫；鋪裝層混凝土厚度和強度不均，局部鋪裝層與微彎板粘結(jié)不良，出現(xiàn)坑洞，局部混凝土松散，橋面排水不良，泄漏水管不暢。

    (2)靜力荷載試驗：在單輛三軸重車作用于超車道和主車道跨中(工況l和2)時，實測的拱頂截面拱肋橫向變位明顯；在跨中最大正彎矩加載的中載、橋內(nèi)側(cè)和橋外側(cè)車輛荷載(對應(yīng)工況3、4、5，荷載效率0.9)作用下，由跨中實測撓度推算的拱肋荷載橫向分布系數(shù)與理論值偏差大，特別工況5時中肋誤差達39．1％，荷載橫向分布能力偏低，結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)結(jié)薄弱；在工況3—5荷載作用下，實測跨中拱肋下緣鋼筋應(yīng)變最大值介于208—29）με之間，達到砼開裂應(yīng)變常值，與理論值比較，應(yīng)變結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)最大值達1.58，超過了《公路舊橋承載能力評定辦法》常值高限；在工況l～5荷載作用下，除4#跨中附近一條裂縫擴展寬度為0.08mm，其余裂縫工況卸載后均能恢復或無明顯變化。

    (3)動力荷載試驗：在無障礙行車情況下，剛架拱跨中截面實測沖擊系數(shù)在1.09—1.31之間；豎向自振頻率為3.93Hz，沖擊系數(shù)與設(shè)計比偏大。

    3.1.2加固方案

    鑒于上述病害情況，為了提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和安全度以及實用性，橋梁加固重點放在加強結(jié)構(gòu)整體性上，從橋面、主拱肋、橫向聯(lián)系三方面共同加固人手，采取了如下加固處理：

    (1)鑿除原橋面鋪裝層，保留微彎板，采用40#防水砼重新鋪設(shè)橋面且鋪裝厚不小于14cm。橋面板按雙層配筋設(shè)計，采用Φl2和Φ16鋼筋網(wǎng)；頂層鋼筋網(wǎng)在拱腿頂大節(jié)點處縱筋加密。

    (2)采用8mm厚鋼板粘貼加固拱肋。其中弦桿預制拱肋部分上下緣以及拱腿頂之間拱跨下緣均粘貼15cm寬鋼帶；跨中實腹段9m范圍肋底加貼36．6cm寬鋼板。

    (3)對橫系梁進行有針對性的加粗和加密，其中：拱腿系梁由l5x40cm加大為65x60cm，跨中實腹段加密兩根30x45cm及30x80cm系梁，對應(yīng)各加固系梁的拱肋位置上均種植四根 qbl6筋，穿過拱肋與加固系梁主筋焊接，邊肋外側(cè)種植筋加設(shè)螺栓固定。

    3.2加固后的運營評價

    為了評估橋梁加固后的受力性能，評價橋跨結(jié)構(gòu)是否符合設(shè)計荷載正常行車使用要求，根據(jù)需要，該橋加固后先后于2000年11月和2007年6月進行了兩次荷載試驗。

    3.2.1試驗荷載

    (1)靜載試驗荷載

    試驗選擇了基本荷載，最大試驗荷載為設(shè)計標準規(guī)定的荷載，試驗時選用9輛三軸載重汽車，靜力試驗荷載效率滿足下列公式要求：0.8≤η0=s／s1(1+μ)≤1.05。

    (2)動載加載

    在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況  下，采用環(huán)境隨機振動法測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風荷載、地  脈動、水流等隨機荷載激振而引起的橋梁結(jié)構(gòu)微幅振動響應(yīng)，  以分析橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性。脈動試驗測點布置在橋面橋墩臺、L/8、1L/4、31/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8控制截面處。

    3.2.2靜載試驗結(jié)果分析

    3.2.2.1實測撓度結(jié)果分析

    兩次試驗剛架拱L/2撓度測試結(jié)果比較和第二次試驗拱  肋擾度實測值與理論計算值比較見表l和表2。表中數(shù)據(jù)對比可見：試驗荷載作用下，實測值小于理論值，控制截面撓度校驗系數(shù)介于0.48～0.75，相對殘余變形l％-7％，小于20％，橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段。

    3.2.2.2實測應(yīng)變結(jié)果分析

    兩次試驗應(yīng)變測試結(jié)果和第二次試驗拱肋底應(yīng)變實測值及其理論計算值試驗荷載作用下，實測值接近理論值，控制截面應(yīng)變校驗系數(shù)介于0.85～1.07，相對殘余變形l％-7％，小于20％，橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段。

    3.2.3動載試驗結(jié)果分析

    橋梁加固后在無障礙行車情況下，豎向自振頻率：2000年11月實測值為7.54Hz，2007年6月實測值為7.083，實測值略高于理論計算值5.85，該橋抗彎剛度較好。

    該橋在加固運營7年后，通過兩次試驗結(jié)果對比認為橋梁在加固改造后整體強度和剛度滿足設(shè)計要求，整體橋跨結(jié)構(gòu)滿足汽超--20級，掛-l20設(shè)計荷載正常行車使用要求，但是由表1和表3結(jié)果可見，2000年11月試驗撓度和應(yīng)變測試結(jié)果基本接近或小于2007年6月試驗結(jié)果，表明該橋使用功能較以前有所退化。

4、結(jié)語

    現(xiàn)役剛架拱橋普遍存在不同程度的病害或缺陷，僅有部分進行了加固改造，通過橋梁加固實例及加固后的運營評價表明，本文所介紹的加固方法是切實可行的，可借鑒。這類橋應(yīng)注意檢查養(yǎng)護檢測，病害應(yīng)及早加固處理，以免惡化成危橋，影響交通并造成經(jīng)濟損失。根據(jù)檢測結(jié)果看出，檢測的撓度值與應(yīng)變值不相對應(yīng)，可能存在檢測或結(jié)構(gòu)分析計算上的偏差，在以后類似工作中應(yīng)進一步深化應(yīng)變的測試與分析。

參考文獻

[1]顧安邦等．公路橋涵設(shè)計手冊．拱橋，人民交通出版社；2000．7．

[2]廣東省交通廳．剛架拱橋，廣東科技出版社，l989．4.

[3]朱浩良．鋼筋混凝土剛架拱橋的內(nèi)力分析模式與對  比[D]．合肥：合肥工業(yè)大學碩士學位論文，2006．

[41劉海青等．鋼架拱橋的病害分析及加固設(shè)計．福建交通科技，2004(4)：27—30．

[5]胡安妮等．混凝土剛架拱橋的綜合加固方法．工業(yè)  建筑，2002(33)4：16—18．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)