三跨雙曲拱橋病害特征及改造方案分析

黃 鵬，胡瀟月

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都610072；2.四川美姑河水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川成都610072)

雙曲拱橋?qū)⒅鞴叭σ浴盎麨榱恪钡姆椒ò聪群箜樞蜻M(jìn)行施工，再以“集零為整”的方式組合成承重的整體結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了預(yù)制裝配的優(yōu)點(diǎn)，可以不要拱架施工，節(jié)省材料，施工進(jìn)度快，且造型美觀等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于符合當(dāng)時(shí)我國(guó)橋梁建設(shè)國(guó)情，自20世紀(jì)60年代由我國(guó)創(chuàng)造出雙曲拱橋以來(lái)，該橋型已經(jīng)在全國(guó)很多省份得到廣泛應(yīng)用。

著名的南京長(zhǎng)江大橋的公路引橋上，具有二十二孔、長(zhǎng)約760 m的雙曲拱橋。據(jù)統(tǒng)計(jì)，雙曲拱橋問(wèn)世后10年內(nèi)，我國(guó)大約有4 000座該種橋型的橋建成，共約30×104m，對(duì)我國(guó)交通建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了積極的作用[2-4]。

隨著交通量的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)橋梁的承載能力要求越來(lái)越高。由于時(shí)代背景原因和自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，雙曲拱橋結(jié)構(gòu)整體性差，施工質(zhì)量變異大，設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低，鋼筋用量少。因主拱圈分期形成，呈現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)的受力特征，整體性較弱。很多雙曲拱橋長(zhǎng)期處于超載和大交通量條件下運(yùn)行，且年久失修，幾乎所有的雙曲拱橋都出現(xiàn)不同程度的病害，嚴(yán)重威脅交通安全[5-7]。

新建橋梁結(jié)構(gòu)選型時(shí)，雙曲拱橋逐漸被其他橋型替代[1]。但考慮到經(jīng)濟(jì)成本，原有雙曲拱橋的改造要根據(jù)自身病害特征和荷載要求來(lái)確定改造方案。而每座雙曲拱橋均有著自身特有的結(jié)構(gòu)受力和病害特征，本文依托某三跨雙曲拱橋，對(duì)其病害特征進(jìn)行了分析，并提出了改造建議。

1 工程概況及病害類(lèi)型

該橋三跨雙曲拱橋，由于本橋設(shè)計(jì)圖紙和竣工圖紙缺失，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量本橋計(jì)算跨徑23 m；橋梁跨徑布置為3×23 m。橋面凈寬為凈9.0 m+2×0.75 m人行道；大橋上部結(jié)構(gòu)采用3孔凈跨徑為23 m的等截面懸鏈線空腹式鋼筋混凝土雙曲拱。大橋主拱圈由7肋6波組成，各片主拱肋寬均為30 cm。橋面采用整體混凝土鋪裝。橋梁約建設(shè)于上世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)荷載估計(jì)為汽-15級(jí)，掛-80。目前橋梁破損較嚴(yán)重，行車(chē)不順，部分受力部位出現(xiàn)斷裂錯(cuò)位(圖1、圖2)。

圖1 大橋平立面布置

(1)上部結(jié)構(gòu)：拱肋出現(xiàn)了主拱圈開(kāi)裂、多處較大面積的混凝土破損露筋、與拱波結(jié)合處開(kāi)裂、混凝土嚴(yán)重老化、倒角混凝土破損、水跡白化、混凝土較大面積脫落以及違章建筑等問(wèn)題。立柱的問(wèn)題主要有斜向開(kāi)裂、縱向開(kāi)裂、環(huán)向開(kāi)裂、局部壓裂、混凝土脫落、露筋、麻面等問(wèn)題。橫向連梁、系梁出現(xiàn)麻面、混凝土脫落、倒角破損、受力關(guān)鍵部位開(kāi)裂、混凝土老化、露筋等問(wèn)題。除以上所述之外，還有拱波縱向開(kāi)裂、拱波表明凹凸不平、局部落筋等問(wèn)題。

(2)橋面系：橋面板出現(xiàn)混凝土老化、破損開(kāi)裂、露筋且銹蝕嚴(yán)重。橋面鋪裝混凝土麻面、破損，橋臺(tái)接坡處跳車(chē)；緣石橫向開(kāi)裂，護(hù)欄立柱下方混凝土破損；護(hù)欄立柱底部環(huán)向開(kāi)裂，擋板開(kāi)裂、橫桿缺失；全橋泄水孔堵塞。

(3)下部結(jié)構(gòu)：拱座基本出現(xiàn)倒角混凝土破損露筋，樁基麻面、露粗骨料，橋臺(tái)堆放雜物。

(a)拱肋砼脫落 (b)立柱側(cè)面砼開(kāi)裂

(c)橫梁側(cè)面破損露筋 (d)拱肋間拱波縱向開(kāi)裂

(e)底面露鋼筋網(wǎng) (f)拱座倒角處砼破損露筋

2 病害特征與原因分析

為了分析病害的嚴(yán)重程度，對(duì)各類(lèi)病害進(jìn)行分析，將影響橋梁結(jié)構(gòu)受力、危害嚴(yán)重的病害按照部位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類(lèi)，并進(jìn)行影響程度評(píng)價(jià)分析。表1為影響受力的病害特征表。

根據(jù)病害類(lèi)型和位置，主拱圈裂紋有可能由于基礎(chǔ)沉降，或者拱軸線系數(shù)較大以及橋面荷載超出原設(shè)計(jì)要求導(dǎo)致拱頂正彎矩過(guò)大產(chǎn)生。拱波出現(xiàn)縱向裂紋是由于建造時(shí)分開(kāi)澆筑，拱波頂部形成拉力，易產(chǎn)生縱向裂縫。而環(huán)境的長(zhǎng)期侵蝕，加上各部位由于受力導(dǎo)致的位移變形，導(dǎo)致混凝土老化、脫落等。設(shè)計(jì)截面尺寸較小，導(dǎo)致立柱和橫系梁抗彎、抗剪能力弱，過(guò)大載荷作用引起的主拱圈拱肋間位移和內(nèi)力重分布，造成立柱和橫梁的局部破壞。主拱圈的剛度不足或橋上載荷較大將引起拱波開(kāi)裂和混凝土破損露筋。過(guò)大的受力導(dǎo)致橋面板出現(xiàn)損傷，較差的整體性也會(huì)導(dǎo)致附屬結(jié)構(gòu)的缺失和開(kāi)裂。

雙曲拱橋病害，從根本上主要有三個(gè)原因：

(1)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低。雙曲拱橋建造的時(shí)代背景是資源短缺、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的目的，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中存在承載力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、路面等級(jí)低等問(wèn)題。

(2)設(shè)計(jì)理論不完善。該橋型是在實(shí)踐過(guò)程中創(chuàng)造出來(lái)的，受力機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)沒(méi)有經(jīng)過(guò)深入的科學(xué)研究就大范圍推廣，導(dǎo)致基礎(chǔ)處理不當(dāng)、細(xì)部構(gòu)造不完善、拱軸線不合理、截面尺寸偏小、剛度和強(qiáng)度不足等。

(3)橋梁施工質(zhì)量較低。由于缺乏專(zhuān)業(yè)的橋梁人才，存在大量經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)施工過(guò)程現(xiàn)象，施工流程、施工工藝存在缺陷，直接影響橋梁的承載力和耐久性等，產(chǎn)生施工質(zhì)量問(wèn)題。

(4)現(xiàn)代交通量增長(zhǎng)迅速，導(dǎo)致雙曲拱橋承載超出設(shè)計(jì)。雙曲拱橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，公路等級(jí)、橋梁承載力要求不斷提高，橋上荷載的不斷加大。過(guò)重車(chē)載作用，加上自然環(huán)境的作用，拱橋構(gòu)件會(huì)發(fā)生各種損失和破壞。

表1 病害特征表

3 改造方案分析

根據(jù)病害的匯總和分析可以發(fā)現(xiàn)，該雙曲拱橋上部主體受力結(jié)構(gòu)、橋面系以及附屬結(jié)構(gòu)均破壞嚴(yán)重，需要加固或者改建。而基礎(chǔ)部分，初步判定破壞不嚴(yán)重。根據(jù)以上情況，制定四個(gè)方案進(jìn)行比選。

3.1 方案一：全橋加固

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)保持原有橋型，僅需針對(duì)需加固部位進(jìn)行加固設(shè)計(jì)和施工。

缺點(diǎn)：施工復(fù)雜、技術(shù)要求高。因原始圖紙缺失，加固驗(yàn)算難度大，加固后承載力無(wú)法保證，需進(jìn)一步評(píng)估。同時(shí)由于結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，加固成本較高，幾乎上部結(jié)構(gòu)所有部位均需要大范圍加固。但加固后的橋梁荷載也僅能滿(mǎn)足現(xiàn)有的汽-15，橋梁需要設(shè)置限載標(biāo)志，對(duì)車(chē)輛通行存在安全隱患。

3.2 方案二：拆除拱肋以上部分重建

優(yōu)點(diǎn)：充分利用原有拱結(jié)構(gòu)的受力，新建部分有條件的保證了上部結(jié)構(gòu)的承載力。

缺點(diǎn)：拱肋加固后承載力無(wú)法得到保障，且需要對(duì)拱肋進(jìn)行加固，加固設(shè)計(jì)和施工技術(shù)難度高。

3.3 方案三：拆除基礎(chǔ)以上部分重建

優(yōu)點(diǎn)：上部結(jié)構(gòu)拱肋拆除后采用預(yù)應(yīng)力砼空心板梁，可直接工廠預(yù)制后吊裝，施工技術(shù)成熟，上部結(jié)構(gòu)承載力能滿(mǎn)足要求，利用原樁基，節(jié)約投資。

缺點(diǎn)：基礎(chǔ)承載力無(wú)法保障，需要重新檢測(cè)樁基承載力是否滿(mǎn)足上部結(jié)構(gòu)采用板梁以后的使用要求，若不滿(mǎn)足，樁基需要一并拆除重建。

3.4 方案四：全部拆除重建

優(yōu)點(diǎn)：按照現(xiàn)有規(guī)范城-B荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)，橋梁整體承載能力有保障，適應(yīng)當(dāng)前交通要求，安全可靠，使用年限長(zhǎng)，避免短期內(nèi)再次改造。

缺點(diǎn)：上、下部結(jié)構(gòu)需全部重建，造價(jià)略高。

各方案的基本參數(shù)對(duì)比如表2，表中造價(jià)按照經(jīng)驗(yàn)為粗略估計(jì)，僅作參考。

根據(jù)以上對(duì)比可知，如果原有基礎(chǔ)能達(dá)到承載力要求，拆除基礎(chǔ)以上部分，利用原基礎(chǔ)進(jìn)行重建是最優(yōu)方案。但該方案前提為基礎(chǔ)承載力的檢測(cè)。

如果經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，原有基礎(chǔ)承載力達(dá)不到承載力要求，則上部結(jié)構(gòu)加固方案也不可行，只能全部拆除重建或?qū)A(chǔ)進(jìn)行加固。對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固后，基礎(chǔ)承載力需要進(jìn)一步評(píng)估。其造價(jià)與新建相差不大，且全部重建，承載力可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，基礎(chǔ)沉降以及結(jié)構(gòu)性損壞不嚴(yán)重，初步判定該基礎(chǔ)承載力滿(mǎn)足現(xiàn)行要求。建議在基礎(chǔ)承載力評(píng)估滿(mǎn)足要求的情況下，采用方案三：拆除基礎(chǔ)以上重建。如果基礎(chǔ)承載力不滿(mǎn)足要求，建議采用方案四：全部拆除重建。

表2 改造方案指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

盡管雙曲拱橋?qū)ξ覈?guó)交通發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用，但雙曲拱橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低、設(shè)計(jì)和建造時(shí)理論研究不完善，導(dǎo)致其本身存在結(jié)構(gòu)特征缺陷，不可避免的出現(xiàn)了各種病害，必須對(duì)其進(jìn)行改造。通過(guò)對(duì)三跨雙曲拱橋的病害檢測(cè)結(jié)果分類(lèi)統(tǒng)計(jì)分析顯示，幾乎所有部位均發(fā)現(xiàn)病害。根據(jù)雙曲拱橋病害特征，文章對(duì)其承載力影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，篩選了影響較大的病害類(lèi)型，并進(jìn)行了原因歸納和分析。針對(duì)該橋的病害情況，提出了該橋的關(guān)鍵改造評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行了四種改造方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比，建議針對(duì)該橋拆除基礎(chǔ)以上部分進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)重建，并選用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。

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