某反修橋加固設(shè)計(jì)加固原理

張 鑫 江光炫

某反修橋建成于1969年,是文革時(shí)期由人民解放軍設(shè)計(jì)施工的一座雙曲拱橋,通車時(shí)間近40年,經(jīng)實(shí)橋測(cè)量,反修橋的凈跨徑為2-60 m,凈高10 m,橋面全寬7.0 m,凈寬6.5m,左右兩側(cè)欄桿各0.25 m。反修橋建成至今近40年。2007年9月對(duì)該橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢查、檢測(cè)。檢查、檢測(cè)結(jié)果表明:“橋梁綜合評(píng)定得分為35,橋梁綜合評(píng)定等級(jí)為四類。建議對(duì)該橋進(jìn)行大修或改造,及時(shí)進(jìn)行交通管制,如限載、限速通過(guò),當(dāng)缺損較嚴(yán)重時(shí)應(yīng)關(guān)閉交通?！睘楸ＷC該橋梁能處于完好的技術(shù)狀態(tài),提高其服務(wù)水平,延長(zhǎng)長(zhǎng)期使用年限。

1 拱橋主要病害情況

病害1:主拱拱肋除邊拱肋存在局部混凝土剝落、露筋、鋼筋銹蝕現(xiàn)象外,內(nèi)拱肋基本完好,未發(fā)現(xiàn)裂縫。病害2:腹拱拱肋、拱波順橋向開裂、拱頂處破損、露筋、橫系梁有兩條環(huán)向裂縫。

2 結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理分析

造成雙曲拱橋破壞的原因主要有:1)原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)較低,而現(xiàn)行荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)原設(shè)計(jì)荷載等級(jí);原橋荷載為汽—15級(jí),而如今低等級(jí)公路汽車荷載為公路—Ⅱ級(jí),按照本橋60 m跨徑,原設(shè)計(jì)荷載一個(gè)車道可布置65 t荷載,按照公路—Ⅱ級(jí)可布置103 t荷載,相差很大;2)材料性能達(dá)不到使用要求,施工質(zhì)量有缺陷。另外,隨著運(yùn)營(yíng)年限的增長(zhǎng),車輛荷載的增加,各種超限、超載車輛的行駛等因素作用也會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)開裂,破損,承載力下降。

綜上所述可以得出反修橋目前的結(jié)構(gòu)病害是上述幾種因素綜合作用的結(jié)果。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本次加固設(shè)計(jì)共采用兩種工況對(duì)反修路橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全分析:第一種工況為當(dāng)前條件下橋梁的受力狀況分析:設(shè)計(jì)荷載為汽車—15級(jí),掛車—80級(jí),采用雙向兩車道;第二種工況為按照現(xiàn)行荷載等級(jí)進(jìn)行受力狀況分析:設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅱ級(jí),采用雙向兩車道;第三種工況為橋梁加固之后,在荷載等級(jí)提高的情況下橋梁的受力狀況分析:設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅱ級(jí),采用雙向兩車道。

平面桿系分析:平面桿系分析主要包括拱肋、拱波、拱上立柱、縱梁以及墩臺(tái)基礎(chǔ)等。拱肋結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算:主拱邊肋截面為“L”形,中肋截面為倒“T”形,主拱拱肋較為完好,可以考慮拱波和拱板的組合截面受力,由于中肋的橫向分布系數(shù)較大,平面桿系以中拱計(jì)算;腹拱拱肋、拱波裂縫較多,按裸拱受力;主拱拱軸線形為懸鏈線,拱軸系數(shù)為2.45,矢跨比為1/6。拱腳約束和空間有限元相同。

拱肋計(jì)算主要包括承載能力極限狀態(tài)下的拱肋正截面抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算、拱肋斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算以及拱肋的橫向穩(wěn)定性驗(yàn)算三個(gè)部分和正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度。

各構(gòu)件截面幾何特性見表1。

表1 原橋部分構(gòu)件截面幾何特性

拱圈作為鋼筋混凝土構(gòu)件,其正截面抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算采用分項(xiàng)安全系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法,其設(shè)計(jì)原則是:荷載效應(yīng)最不利組合的設(shè)計(jì)值不大于結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)的設(shè)計(jì)值,表達(dá)式為:

對(duì)于雙曲拱橋,拱腳截面承受的剪力最大,正截面直接受剪強(qiáng)度按下式計(jì)算:

主拱圈的穩(wěn)定性驗(yàn)算:對(duì)于有拱上結(jié)構(gòu)的拱橋而言,拱上結(jié)構(gòu)參與主拱圈的聯(lián)合作用,提高了全拱的剛度,降低了主拱圈的活載彎矩,而對(duì)拱的縱向力沒有影響,從而縮小了縱向力的偏心距,所以拱橋的穩(wěn)定性是沒有問(wèn)題的。

1)第一種工況驗(yàn)算結(jié)果,即主拱拱肋、腹拱拱肋在汽車—15級(jí),掛車—80級(jí)荷載下的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果表明原橋在汽車—15級(jí),掛車—80級(jí)荷載作用下,承載能力組合一、二拱圈大部分截面均能滿足規(guī)范要求,只有在1號(hào)立墻與主拱圈交界處拱圈的結(jié)構(gòu)抗力產(chǎn)生突變,不能滿足要求,原因是本橋腹拱跨徑過(guò)大,拱上填料較厚,立墻底部對(duì)主拱圈作用一個(gè)較大的集中力,使得主拱圈此處產(chǎn)生較大的彎矩,此處的主拱圈偏心距增大,導(dǎo)致內(nèi)力增大,截面抗力不足;結(jié)果還表明原橋在汽車—15級(jí),掛車—80級(jí)荷載作用下,承載能力組合作用下靠近橋墩、橋臺(tái)的腹拱圈拱頂和立墻附近的承載能力不足,靠近拱頂?shù)母构叭Υ蟛糠纸孛娉休d能力能夠滿足要求,但在靠近立墻的拱腳處承載能力不足。

小結(jié):原橋在汽車—15級(jí),掛車—80級(jí)荷載作用下,主拱承載能力能滿足規(guī)范要求;靠近墩臺(tái)的腹拱承載能力不能滿足要求,裂縫寬度超限。

2)第二種工況驗(yàn)算結(jié)果,即拱肋在公路—Ⅱ級(jí)荷載下的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果。

圖1表明原橋在公路—Ⅱ級(jí)荷載作用下,承載能力組合一拱頂至 L/4處截面不能滿足規(guī)范要求,承載能力不足,圖2表明主拱圈與立墻交界處在最不利荷載組合下出現(xiàn)微小裂縫,考慮到立墻與主拱圈1 m范圍內(nèi)剛接,可以認(rèn)為主拱圈不出現(xiàn)裂縫。

小結(jié):原橋在公路—Ⅱ級(jí)荷載作用下,主拱拱頂至 L/4處大部分截面承載能力不能滿足要求;腹拱拱圈大部分截面承載能力不足,裂縫寬度超限;立墻下端承載能力不足。

4 加固方案

1)主拱圈。對(duì)于主拱圈,采用加大截面尺寸的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),在主拱圈的拱肋上下緣、拱波及拱板部分,外包鋼筋網(wǎng)并現(xiàn)澆混凝土加大拱圈截面。2)橫向連系梁。為加強(qiáng)拱肋間的橫向作用,提高拱肋的整體受力效果,對(duì)于原橫系梁四周各外包10 cm的鋼筋混凝土,以提高主拱圈的橫向剛度。

5 加固后的結(jié)構(gòu)分析

1)加固后的拱肋結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算(平面桿系)。各構(gòu)件截面幾何特性見表2。由于中肋受力較大,本次計(jì)算僅列出中肋的計(jì)算結(jié)果,如圖3,圖4所示。圖3,圖4表明:拱上立柱作為小偏心受壓構(gòu)件,其結(jié)構(gòu)抗力比較富余,滿足規(guī)范的要求。

表2 加固后主拱圈截面幾何特性

2)計(jì)算結(jié)果。上述計(jì)算結(jié)果表明,加固后的主拱圈正截面抗壓、抗剪強(qiáng)度滿足安全要求,立柱滿足規(guī)范要求?？傊?加固后的橋梁能夠滿足公路—Ⅱ級(jí)荷載的要求。