鋼筋混凝土箱型拱橋加固設(shè)計(jì)及加固方法

姜 如

(中鐵二局集團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，四川成都610031)

鋼筋混凝土箱型拱橋是20世紀(jì)70～80年代拱橋建設(shè)史上的代表橋型。限于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、施工等局限，使該類橋梁結(jié)構(gòu)存在先天的不足，同時(shí)在長(zhǎng)期重荷載和大交通量運(yùn)營(yíng)的情況下，如今大部分橋梁都出現(xiàn)了不同程度的病害，乃至危及整個(gè)橋梁的安全。如何處理這類橋梁病害，是交通主管部門較為關(guān)注的問題之一，故對(duì)鋼筋混凝土箱型拱橋的病害及加固技術(shù)進(jìn)行研究，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

該拱橋建于20世紀(jì)80年代，橋梁全長(zhǎng)89.7 m，橋面寬8.5 m,橫向布置為：0.75 m(安全帶)+7.0 m(行車道)+0.75 m(安全帶)。橋梁原設(shè)計(jì)荷載：汽車-20級(jí)，掛車-100。橋梁為1×60 m空腹式懸鏈線箱型拱橋，矢高7.5 m，矢跨比1/8，拱軸系數(shù)m=2.814。主跨上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制混凝土箱型拱橋，主拱圈由5片拱箱組成，主拱圈的厚度為130 cm，寬700 cm；主拱兩側(cè)分別設(shè)4孔腹拱，腹拱為圓弧拱，其矢跨比為1/5～1/7，腹拱頂與主拱頂高程相同，腹拱由分片預(yù)制的拱圈塊件拼組而成，拱圈厚度均為25 cm；下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋面為水泥混凝土鋪裝；左右側(cè)護(hù)欄均為混凝土護(hù)欄。該橋總體布置情況如圖1所示。

圖1 拱橋全景

2 病害狀況及原因分析

2.1 病害狀況

根據(jù)檢測(cè)單位檢測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查：該橋主拱圈完好，尚能滿足汽車-20級(jí)，掛車-100的正常使用要求，但由于兩岸邊腹拱拱腳錯(cuò)位、拱圈開裂嚴(yán)重，橋梁技術(shù)狀況評(píng)定為五類，處于危險(xiǎn)狀態(tài)，應(yīng)立即封閉交通，主要病害為：

(1)橋梁兩岸邊腹拱與側(cè)墻脫開，邊腹拱拱腳處最大錯(cuò)位5 cm左右。邊腹拱內(nèi)底部存在多條橫向及縱向裂縫，裂縫寬度超過規(guī)范限值，且裂縫內(nèi)滲水，橋梁結(jié)構(gòu)存在較大安全隱患，如圖2～圖3所示。

(2)橋臺(tái)：兩岸橋臺(tái)前墻有滲水痕跡，其中大里程側(cè)橋臺(tái)前墻自頂部向下出現(xiàn)1條豎向裂縫，裂縫深度為116.50 mm，裂縫寬度達(dá)到0.50 mm。

(3)橋面鋪裝：橋面鋪裝共出現(xiàn)明顯坑洞及多處橫向貫通裂縫。

圖2 腹拱拱圈與墻脫開

圖3 腹拱底部橫向開裂

2.2病因分析

邊腹拱拱腳錯(cuò)位及腹拱跨中開裂，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，端腹拱為簡(jiǎn)單支撐體系，拱腳位置未見鉸縫處理，也未設(shè)置變形縫，腹拱前墻拱腳貼合處構(gòu)造角度較小，對(duì)拱圈約束作用較弱，且未設(shè)置防落梁構(gòu)造。同時(shí)因本橋位于我國(guó)西部山區(qū)，整體升降溫幅度比較大。在降溫作用下，由于主拱圈的變形引起腹拱圈橫墻及腹拱圈在順橋向朝河心方向發(fā)生變位，端腹拱河岸側(cè)拱腳未設(shè)置有效的餃結(jié)構(gòu)，對(duì)腹拱拱腳縱向水平位移基本無限制作用，導(dǎo)致腹拱前墻與腹拱圈不能協(xié)調(diào)變形，拱腳貼合面處腹拱圈與腹拱前墻間在降溫作用下呈剝離趨勢(shì)；而后在升溫作用下，由于主拱圈的變形引起腹拱橫墻及腹拱圈在順橋向向河岸方向發(fā)生變位，端腹拱拱圈拱腳已錯(cuò)位、下沉，與腹拱前墻抵死而不能復(fù)位，導(dǎo)致腹拱圈計(jì)算跨徑減小，在升溫作用下受到來自水平方向的擠壓作用，拱頂截面承受較大負(fù)彎矩上緣發(fā)生開裂；橋臺(tái)前墻出現(xiàn)裂縫，因橋臺(tái)是大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在施工時(shí)因?yàn)榛炷灵_裂和基礎(chǔ)的不均沉降引起的；橋面鋪裝損害，主要是超載及養(yǎng)護(hù)跟不上引起的。

3 維修加固方案

針對(duì)橋梁主要病害，腹拱拱腳錯(cuò)位和腹拱跨中開裂，主要提出了兩種加固方案。

3.1 方案一：改拱式拱上建筑為連續(xù)板式拱上建筑

方案一如圖4所示，主要加固要點(diǎn)為：

圖4 方案一加固示意圖

(1)首先對(duì)全橋進(jìn)行全面的檢查，對(duì)裂縫、漏筋等橋梁固有病害進(jìn)行處理。

(2)拆除全橋范圍內(nèi)的橋面系部分(含人行道、欄桿、橋面鋪裝)。

(3)拆除兩側(cè)腹拱圈范圍內(nèi)的拱上填料、側(cè)墻和腹拱圈及橫墻上部墊梁，在拆除時(shí)注意兩橋臺(tái)側(cè)對(duì)稱拆除。

(4)對(duì)橫墻進(jìn)行加高加固處理,橋臺(tái)前墻鑿出部分混凝土作為現(xiàn)澆梁支撐,1號(hào)橫墻頂環(huán)保碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，大里程側(cè)橋臺(tái)前墻通過植筋澆筑25cm厚混凝土進(jìn)行加固。

(5)在主拱圈上搭設(shè)支架，現(xiàn)澆空心板梁。

(6)恢復(fù)全橋橋面系部分及排水設(shè)施。

(7)安裝兩側(cè)橋臺(tái)伸縮縫。

(8)施工過程中，務(wù)必保證對(duì)稱、均衡施工，保證主拱圈受力對(duì)稱、均衡。

3.2 方案二：加固腹拱圈

方案二如圖5所示，主要加固要點(diǎn)為：

圖5 方案二加固示意圖

(1)橋梁裂縫、漏筋處理及大里程橋臺(tái)前墻加固同方案一。

(2)臨時(shí)支撐體系,拆除兩側(cè)橋臺(tái)2號(hào)橫梁外橋面系部分、拱上填料、側(cè) 墻及1號(hào)和2號(hào)腹拱圈。

(3)1號(hào)腹拱前墻處做牛腿，2號(hào)和3號(hào)橫梁上外包混凝土，均先植筋，再澆筑混凝土。

(4)先現(xiàn)澆2號(hào)腹拱，再現(xiàn)澆1號(hào)腹拱。

(5)恢復(fù)1號(hào)和2號(hào)腹拱上側(cè)墻及拱上填料，拱上填料采用砂礫石。

(6)恢復(fù)拆除的橋面系部分及排水設(shè)施。

(7)安裝兩側(cè)橋臺(tái)伸縮縫。

(8)施工過程中，務(wù)必保證對(duì)稱、均衡施工，保證主拱圈受力對(duì)稱、均衡。

3.3 方案選擇

方案一通過改變拱上建筑的結(jié)構(gòu)體系，減輕了拱上自重，改善了結(jié)構(gòu)受力狀況，使主拱圈的強(qiáng)度富余量更加合理，且后期養(yǎng)護(hù)比較容易，徹底解決了橋梁的既有病害,但造價(jià)相對(duì)較高、施工難度較大；方案二針對(duì)性較強(qiáng)，施工難度和造價(jià)相對(duì)較低，通過設(shè)置牛腿，更換1號(hào)和2號(hào)腹拱圈，完全滿足設(shè)計(jì)要求，但結(jié)構(gòu)體系和拱上荷載基本沒有變化，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)中，可能會(huì)出現(xiàn)新的病害，且主拱圈的強(qiáng)度富余量不夠合理。經(jīng)專家評(píng)審,將方案一作為本橋的最終施工方案。

4 計(jì)算分析

4.1 結(jié)構(gòu)建模

本次計(jì)算采用橋梁博士V3.2進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，根據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D61-2005)進(jìn)行相關(guān)強(qiáng)度及穩(wěn)定驗(yàn)算。驗(yàn)算活載采用公路-II級(jí)，雙車道，整體升降溫均按20℃考慮。主拱圈強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，考慮5%的舊橋折減，全橋模型如圖6和圖7所示。

圖6 全橋模型(加固前)

圖7 全橋模型(方案一)

4.2 主拱橋強(qiáng)度驗(yàn)算(加固前)

主拱圈加固前成橋階段強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。

表1 主拱圈加固前成橋階段強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

從表1可知：原拱橋成橋階段滿足04版規(guī)范要求，成橋階段拱腳富余量3.0%、拱頂富余量69.3%，拱腳富余量偏小。

4.3主拱圈強(qiáng)度驗(yàn)算(方案一)

主拱圈加固后(方案一)成橋階段強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

表2 主拱圈加固前成橋階段強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

從表2可知：方案一通過調(diào)整拱上建筑結(jié)構(gòu)體系，成橋階段主拱圈拱腳富余量35.8%，較原橋富余量增大32.8%，拱頂富余量35.5%，較原橋富余量減少33.8%，總的來說，主拱圈的強(qiáng)度富余量更加合理。

4.4 施工階段主拱圈變形控制

全橋拆除過程中共分為3個(gè)階段：

第一階段：拆除全橋人行道、護(hù)欄及橋面鋪裝；

第二階段：拆除腹拱圈的拱頂填料；

第三階段：拆除腹拱圈。

本橋在拆除橋面鋪裝、腹拱頂?shù)墓吧咸盍霞案构叭Φ氖┕み^程中，主拱圈的拱腳、1/4處及拱頂?shù)淖畲笞冃瘟堪幢?控制。

表3 施工階段主拱圈變形量

5 結(jié)論

(1)修建于20世紀(jì)70～80年代的預(yù)制混凝土箱型拱橋大多參照當(dāng)時(shí)的通用圖設(shè)計(jì)施工,在國(guó)內(nèi)西部較為常見,腹拱錯(cuò)位在同類型橋梁中均有發(fā)現(xiàn),跨徑越大整體降溫溫差越大,病害越明顯。

(2)針對(duì)預(yù)制箱型拱橋腹拱錯(cuò)位錯(cuò)位的加固方案,主要有兩種方法,一種是調(diào)整拱上建筑結(jié)構(gòu),變腹拱圈為梁式結(jié)構(gòu)，另一種是加固腹拱圈結(jié)構(gòu)本身,如設(shè)置牛腿、更換腹拱圈、粘貼鋼板等方法，兩種加固方法均有工程實(shí)例，具體加固方法應(yīng)根據(jù)病害狀況和工程造價(jià)等綜合確定。

(3)拱橋加固時(shí)拆除原拱上建筑,技術(shù)要求非常高,必須嚴(yán)格按照對(duì)稱、均衡、分層的原則進(jìn)行，且要隨時(shí)對(duì)主拱圈的變形進(jìn)行觀測(cè)，并進(jìn)行必要地防護(hù)支撐，確保施工過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮主拱圈在各個(gè)施工階段的變形控制值及必要地防護(hù)支撐措施，以利于指導(dǎo)施工，但這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)往往被忽略掉，應(yīng)引起重視。

(4)本橋加固后已進(jìn)行了近兩年的運(yùn)營(yíng),經(jīng)過荷載試驗(yàn)和檢測(cè),橋梁的技術(shù)狀況良好,達(dá)到了預(yù)期效果,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,可為同類型橋梁加固改造提供借鑒。

[1] 董珍林.預(yù)制混凝土箱型拱橋腹拱錯(cuò)位的加固與分析[J].城市建設(shè)理論研究,2011，(10)

[2] 張淼.鋼筋混凝土箱型拱橋病害分析及維修加固方法研究[D].西南交通大學(xué)，2009