國道318線磨子溝大橋維修加固工程設(shè)計

陳仁普　廖琪斌

（四川省交通運輸廳交通勘察設(shè)計研究院四川成都　610000）

國道318線磨子溝大橋維修加固工程設(shè)計

陳仁普廖琪斌

（四川省交通運輸廳交通勘察設(shè)計研究院四川成都610000）

本文以國道318線二郎山至康定二級公路磨子溝大橋為背景，采用較簡易方法加固上承式鋼筋混凝土箱型拱橋。經(jīng)加固后可滿足現(xiàn)行公路荷載標準要求，本次加固特點是效果好，施工進度快，加固費用相對較省。

鋼筋混凝土箱型拱橋；病害；加固；計算驗證

1　概況

磨子溝大橋位于國道318線二康路瀘定縣城附近，本橋于2004年竣工，橋梁結(jié)構(gòu)為上承式鋼筋混凝土箱型空腹式拱橋，全長110m，凈跨80m，凈矢高13.33m，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)為2.54，橋面縱坡為3%。拱肋為密排閉合箱型截面，橋面總寬度9m（車行道8m，防護欄2m×0.5m），原設(shè)計荷載為汽-20、掛-100。

圖1　橋梁立面圖

近年來，隨著國道318線車流量不斷增大，橋上經(jīng)常發(fā)生擁堵，并且超重車輛較多，橋梁負荷較為嚴重。為了解該橋的實際狀況，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全，2011年7月對該橋進行了檢測及荷載試驗，檢測結(jié)論主要為：主拱及腹拱上下游側(cè)拱軸線一致性較好；主拱、腹拱、橫墻及拱座混凝土實測強度大于設(shè)計強度，局部輕微碳化；表面均可見大量裂縫，以縱橋向裂縫為主，部分裂縫超限，多處裂縫修補后再次開裂；主拱及雅安端邊腹拱強度和剛度滿足設(shè)計荷載等級要求，但主拱強度儲備偏低，橋梁技術(shù)等級評定為四類橋梁。

2　主要病害情況介紹

2.1主拱拱箱

（1）主拱圈底面存在大量縱橋向裂縫，遍布主拱拱底，裂縫寬度介于0.05～0.25mm之間，裂縫長度介于25～270cm之間，部分裂縫已超過規(guī)范寬度限值，拱圈底面拱頂區(qū)域存在數(shù)條橫向裂縫。拱底可見大量裂縫修補痕跡，部分修補處再次開裂。拱底距康定端拱腳約4.9m處5m范圍內(nèi)可見10處較大面積的混凝土修補痕跡；拱底雅安端L/8附近2m范圍內(nèi)可見5處混凝土修補痕跡；拱底距雅安端拱腳約3m處混凝土可見橫橋向狹長修補痕跡，并有破損露筋現(xiàn)象。

（2）主拱拱背也存在一定數(shù)量的裂縫。裂縫分布方向主要以縱橋向為主，部分裂縫修補后再次開裂。為便于敘述，依據(jù)腹拱的位置，由康定至雅安方向依次編號為1～8號。

現(xiàn)場檢測看1～8號腹拱除3號未見病害外，其余腹拱均存在寬0.06～0.3cm，長50～270cm縱向裂縫，且可見裂縫修補痕跡。

（3）經(jīng)與檢測單位溝通，對于拱軸線結(jié)論為以“主拱上、下游拱軸線與設(shè)計拱軸線相比吻合較好”。此次加固設(shè)計亦以此為準，認為拱軸線沒有發(fā)生偏移。

（4）靜載試驗。

①撓度測試結(jié)果：主拱結(jié)構(gòu)撓度校驗系數(shù)介于0.42～0.63之間，主拱結(jié)構(gòu)剛度良好。邊腹拱結(jié)構(gòu)撓度校驗系數(shù)介于0.57～0.62之間，邊腹拱結(jié)構(gòu)剛度良好。

②應力測試結(jié)果：主拱結(jié)構(gòu)整體殘余應力較小，結(jié)構(gòu)應力校驗系數(shù)介于0.45～0.95之間，部分校驗系數(shù)偏大，主拱結(jié)構(gòu)強度儲備偏低。邊腹拱結(jié)構(gòu)應力校驗系數(shù)介于0.52～0.69之間，殘余應力所占比例為0～21%，邊腹拱結(jié)構(gòu)強度良好。

（5）動載試驗。

①結(jié)構(gòu)自振特性測試結(jié)果：結(jié)構(gòu)剛度良好。

②結(jié)構(gòu)動力反應試驗：行車沖擊系數(shù)介于1.08～1.21之間，行車對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊作用處于正常范圍內(nèi)。跳車沖擊系數(shù)介于1.43～1.94之間，表明跳車對橋梁的沖擊作用略大，說明橋面的不平整或坑洼對主拱結(jié)構(gòu)影響較為明顯。

2.2腹拱及拱上橫墻

（1）1～8號腹拱均可見多處裂縫及裂縫修補痕跡，其中多處修補處可見再次開裂，部分裂縫已超過規(guī)范寬度限值。各拱腳與拱座連接處混凝土均存在不同程度破損、浸水現(xiàn)象，部分混凝土存在鈣化現(xiàn)象，腹拱典型病害見圖2～3。

圖2　腹拱拱腳與拱座連接處滲水印跡

（2）多處橫墻可見裂縫修補痕跡及多條豎、橫向裂縫。橫墻與拱座連接處可見混凝土破損、鈣化現(xiàn)象，主拱及腹拱拱座均可見多處裂縫修痕跡，部分修補處再次開裂，多處混凝土破損并可見浸水印跡。

2.3拱座及橋臺

檢測報告顯示橋臺及拱座的混凝土強度大于原設(shè)計強度值，未提及橋臺存在沉降、裂縫等病害情況。提及拱座存在裂縫和浸水等病害，從上述可知橋臺病害不嚴重。針對拱座表層開裂的問題，橋臺拱座出現(xiàn)裂縫，設(shè)計考慮對該部位進行補強處理。

圖3　腹拱拱頂混凝土鈣化現(xiàn)象

2.4橋面板及附屬設(shè)施

橋梁兩端伸縮縫出現(xiàn)縱向錯位4mm，橫向錯位8mm，伸縮縫寬度為31～35mm，有泥砂填充，止水帶及周邊混凝土有一定程度破損裂。橋面鋪裝可見大量裂縫修補痕跡，多處裂縫修補處再次開裂。橋面混凝土多處破損、開裂，裂縫寬度0.3～0.6mm，裂縫長度25～400cm，橋面裂縫多為網(wǎng)狀裂縫，裂縫總數(shù)約為1107條（截止2011.08）。

3　病害原因分析

靜載試驗表明主拱圈剛度滿足規(guī)范要求，但結(jié)構(gòu)強度儲備偏低。現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明汽車通過橋梁時，車橋之間存在較強的動力耦合作用，表明橋梁動力剛度不足，這一方面是由于結(jié)構(gòu)體系的原因，另一方面現(xiàn)有橋面破損起伏，汽車行駛過橋時對橋梁的周期性沖擊，引發(fā)的共振效應也加劇了橋梁的動力響應，超載車輛的頻繁作用則導致結(jié)構(gòu)動力響應過大，橋面混凝土開裂破損及伸縮縫破壞造成橋面系滲水嚴重，這些因素構(gòu)成了橋梁現(xiàn)有病害的重要原因。

據(jù)了解，近年來隨著甘孜州大渡河多處水電站的修建，大量運輸水泥、鋼材的車輛往來于國道318線，而這些重車頻繁的作用于橋上，這也正是2008年以來裂縫快速發(fā)展的一個主要原因。

在對橋面病害的分析過程中，橋臺與橋面系存在一定的位移，現(xiàn)場踏勘時也可看出橋梁的側(cè)墻存在向外側(cè)偏移的趨勢，這些現(xiàn)象說明拱上填料存在病害，拱上填料在經(jīng)過多年的碾壓、雨水滲透的影響，已經(jīng)開始沉陷，并存在向外側(cè)鼓出的趨勢。

4　維修加固設(shè)計要點

加固設(shè)計本著安全、經(jīng)濟、便于施工的原則，結(jié)合該橋檢測試驗報告，加固整治著重針對主拱圈、腹拱及橫墻、拱上填料、橋面系以及附屬構(gòu)造進行。因為檢測單位報告未提及橋臺臺身出現(xiàn)沉降、裂縫等相關(guān)病害，加固設(shè)計以橋臺臺身完好進行考慮。

（1）在靠近橋臺的兩個腹拱（1號、2號、7號、8號）的主拱圈拱背上增加20cm的鋼筋混凝土層，通過植筋的方式增加新舊混凝土間的粘結(jié)，加大主拱的截面，以此改善拱腳處主拱拱圈的整體性能。

（2）主拱圈拱底存在大量縱向細而密的裂縫，基本上定性為非受力裂縫。設(shè)計考慮在各主拱箱腹板連接處粘貼碳纖維布加強箱體的整體連接性，并進行橫向壓條加強各箱體的橫向連接，不進行主拱圈全斷面粘貼。粘貼碳纖維布可起到封閉一定數(shù)量的裂縫，起到增加安全儲備及提高主拱耐久性的作用。

（3）對于腹拱開裂滲水的問題，主要通過修補裂縫后，并將原有填料用C20混凝土進行換填。通過此種方式，可提高腹拱的整體剛度與強度，防止腹拱圈進一步開裂。

（4）橫墻及拱座開裂的問題，主要進行裂縫的修補。拱座表層粘貼一層碳纖維布封閉裂縫，防止裂縫的進一步發(fā)展。

（5）橋面系、護欄全部進行拆除重建，并同時按新的橋面防水方式做好橋面的防排水工作。

（6）維修加固設(shè)計考慮在主拱兩端靠近橋臺的一孔做成兩鉸拱，并將靠近拱頂?shù)母构耙欢嗽O(shè)置成鉸，拱上填料、護欄以及側(cè)墻均需進行斷縫處理。

（7）全橋主拱圈、腹拱圈、橫墻及拱座的裂縫及混凝土剝落按如下方式處理：對所有寬度大于0.15mm的裂縫進行灌縫處理，對寬度小于0.15mm的裂縫進行封閉處理。對蜂窩、麻面、剝落等一些淺表面的混凝土病害，用環(huán)氧樹脂砂漿修補。

（8）維修加固設(shè)計對拱上填料進行了更換，因混凝土的密度大于水泥穩(wěn)定碎石基層和漿砌片石的密度。設(shè)計考慮水泥穩(wěn)定碎石基層、漿砌片石、C20混凝土、防撞護欄和橋面鋪裝鋼筋的增重，合計增重約90t。為降低恒載，本次維修加固設(shè)計將橋梁標高整體降低，降低數(shù)值為5cm。降低的高程通過減小拱上填料的高度來形成，橋梁設(shè)計標高處拱上填料的高度由35cm減小至30cm。降低的橋面標高，通過前后路線標高順接來過渡。

5　加固前后計算驗證

（1）計算時所采用的橋梁結(jié)構(gòu)尺寸、材料以原施工圖設(shè)計為依據(jù)。檢測報告認為各構(gòu)件混凝土強度均能滿足原設(shè)計要求，計算未考慮已產(chǎn)生的裂縫對結(jié)構(gòu)本身的影響。

（2）計算中考慮正拱斜置，計入縱坡3%的影響。

（3）體系溫差：經(jīng)了解本橋為搭架現(xiàn)澆施工，且成橋狀態(tài)下已經(jīng)接近10年，混凝土收縮徐變已經(jīng)基本完成。考慮系統(tǒng)溫升、溫降各按20℃計入。

（4）汽車沖擊系數(shù)的考慮：主拱結(jié)構(gòu)基頻數(shù)值采用實測值2.75Hz，通過計算其汽車沖擊系數(shù)μ=0.163，此數(shù)值小于檢測單位的實測數(shù)值0.21，經(jīng)比較，進行結(jié)構(gòu)分析時采用汽車沖擊系數(shù)μ=0.21。

（5）邊界條件：考慮兩拱腳固結(jié)，加固后考慮新舊混凝土共同參與受力。

（6）加固前后橋梁驗算結(jié)果。

①加固之前橋梁按原設(shè)計荷載（汽-20、掛-100）計算，主拱承載能力計算結(jié)果如表1。

表1　加固前主拱承載能力計算結(jié)果

②加固之后橋梁按設(shè)計荷載（公路-Ⅱ級）計算考慮，主拱承載能力計算結(jié)果如表2。

表2　加固后主拱承載能力計算結(jié)果

從以上的結(jié)果可知，加固之后，拱腳截面的R/N有所加大，拱頂截面、L/4拱軸截面處的R/N基本未變化。由此可知，加固之后主拱圈的承載能力及安全儲備均有所提高。

③加固之前與加固之后正常使用極限狀態(tài)下的應力比較，見表3。

計算顯示，加固后，拱腳截面及L/4截面處依舊是全截面受壓，而拱頂下緣的拉應力有所減小。由此可知，加固后主拱圈在正常使用極限狀態(tài)下的拉、壓應力整體而言均有所改善。

6　結(jié)論

現(xiàn)有山區(qū)等級國省干道上的拱橋，由于受前期施工、重載運輸車輛長期荷載作用及管理養(yǎng)護不到位等的影響，橋梁整體承載力及各部位都存在不能滿足使用要求，有些還存在安全隱患。本文通過干線國道上箱形拱橋的加固，對病害進行了分析，并提出加固方法。通過加固后使用效果來看，本橋加固設(shè)計方案正確，且施工方法簡易可行，為以后鋼筋混凝土箱形拱橋病害處理，加固利用提供了參考經(jīng)驗。

[1]《國道318線二郎山至康定段公路改建工程-K2792+208.80磨子溝大橋施工圖設(shè)計》.

[2]《國道318線二康路磨子溝大橋檢測報告（2011.8.30）》.西南交通大學結(jié)構(gòu)工程試驗中心.

表3　主拱圈加固前后應力對比表（MPa）

U445.7

A

1673-0038（2015）09-0183-03

2015-2-11