某箱型拱橋病害調(diào)查及加固方案設(shè)計

莫仕步，胡松山，趙月青

(1.廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530011；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007；3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007)

某箱型拱橋病害調(diào)查及加固方案設(shè)計

莫仕步1，胡松山2，3，趙月青1

(1.廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530011；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007；3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007)

文章以云南某箱型拱橋為工程實例，分析了該橋受重交通荷載影響而出現(xiàn)的裂縫、板塊斷裂、鋪裝層推移及橋梁拱軸線下?lián)系炔『︻愋图捌涑梢?，提出了更換原上部結(jié)構(gòu)T型梁、封閉環(huán)套加固技術(shù)等分布加固維修方案，并對加固后的橋梁結(jié)構(gòu)進行力學(xué)驗算，結(jié)果表明：加固后主拱圈各控制截面安全富裕量顯著增加，橋梁承載能力得到大幅度提高。

箱型拱橋；病害類型；加固設(shè)計；力學(xué)驗算；換套加固技術(shù)

0 引言

箱型拱橋作為國內(nèi)主要橋梁結(jié)構(gòu)類型，由于其具有受力合理、結(jié)構(gòu)美觀等優(yōu)點，在20世紀橋梁建設(shè)過程中得到很大的發(fā)展。由于建造年代的局限性，加之目前交通大發(fā)展各等級道路上橋梁設(shè)計荷載等級普遍偏低，不能滿足當代通行要求，橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量的超載受力裂縫和拱軸線下?lián)系炔『?。為了適應(yīng)和滿足交通發(fā)展的需要，有必要對此類橋梁進行提級改造。在保證交通正常通行情況下，做到投資少、節(jié)省時間和提高舊橋技術(shù)等級及設(shè)計荷載等級，選擇合理的加固設(shè)計方案顯得非常必要。本文以云南境內(nèi)某國道一座混凝土箱型拱橋為工程依托，通過分析橋梁病害類型及加固前后力學(xué)驗算分析，對其加固效果進行評價，為同類型橋梁加固提高參考價值。

1 工程概況

某箱型拱橋設(shè)計為主孔凈跨經(jīng)130 m，凈矢高16.25 m，凈矢跨比1/8。拱箱厚度為2.3 m，單個拱箱寬度為1.72 m，主拱圈設(shè)計線性為懸鏈線。為減少拱上恒載，拱上建筑采用等跨為10 m的預(yù)制T梁以及I形截面排架墩。橋面凈寬：凈11.0 m(行車道)+2×0.5 m(防撞護欄)。如圖1所示。

(a)該箱型拱橋立面尺寸圖

(b)該箱型拱橋立柱斷面尺寸圖

2 病害類型調(diào)查及橋梁狀況評價

2.1 主要病害

2.1.1 拱軸線下?lián)?/p>

拱橋主拱圈因荷載長期作用，拱頂產(chǎn)生不同程度的下?lián)希O(shè)計中對主拱圈拱軸線設(shè)置一定的預(yù)拱度，可抵抗拱圈的變形，改善拱圈受力，拱軸線的準確測量結(jié)果是進行橋梁計算、舊橋改造的重要依據(jù)。經(jīng)檢測，主拱圈拱頂存在明顯下?lián)希以跇蛎嫒庋矍逦梢?。?002年10月8日竣工以來，主拱圈外弧邊緣線實測軸線相對竣工時軸線下沉310 mm，測量數(shù)據(jù)擬合曲線如圖2所示。

圖2 實測拱軸線與設(shè)計拱軸線對比圖

2.1.2 結(jié)構(gòu)病害

(1)該箱型拱橋引孔部分0#臺、2#墩～5#墩和腹孔部分等均存在支座局部脫空。

(2)從橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件表觀缺陷看，局部區(qū)域混凝土表面存在裂縫群。上行線左端引橋2-1#梁、3-1#梁、3-2#梁、4-1#梁、5-1#梁、5-2#梁、5-4#梁、6-1#～3#梁存在多條豎向裂縫，最長裂縫達90 cm，其中21條豎向裂縫>50 cm，裂縫間距0.06～0.08 mm；上行線左端腹孔1-1#梁、1-2#梁、2-2#梁、2-3#梁、3-1#梁和4-2#梁存在豎向裂縫19條，裂縫寬度在0.04～0.06 mm之間；上行線右岸腹孔1-1#～5#梁存在21條豎向裂縫，裂縫寬度在0.02～0.04 mm；上行線右岸引孔2-1#、2-2#、2-4#梁存在26條豎向裂縫，裂縫寬度在0.02～0.06 mm，且局部混凝土出現(xiàn)破損、露筋病害。

(3)該橋橋面為瀝青混凝土橋面板，由于所處境內(nèi)運輸煤礦車輛較多，橋面出現(xiàn)車轍、擁包、縱橫向裂縫、瀝青混凝土鋪裝層位移等現(xiàn)象。

(4)由于該橋運營時間較長，除外省籍車輛的正常運輸外，該橋梁處于產(chǎn)煤境內(nèi)，大量煤礦的集中運輸及大型超重車輛頻繁經(jīng)過，造成該橋?qū)嵏箻蛎娉霈F(xiàn)局部沉陷，經(jīng)現(xiàn)場清鑿橋面瀝青鋪裝層及橋面鋪裝后發(fā)現(xiàn)實腹段預(yù)制混凝土小板斷裂。

2.2 橋梁狀況評價

按照《公路橋涵養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》(JTG H11-2004)有關(guān)規(guī)定對該橋進行技術(shù)狀況綜合評估(見表1)。綜合評定采用式(1)。

表1 該橋技術(shù)狀況綜合評定表

(1)

式中：Ri——按規(guī)范規(guī)定對各部件確定的評定標度(0～5)；

Wi——各部件權(quán)重，∑Wi=100；

Dr——全橋結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評分(0～100)，評分高表示結(jié)構(gòu)狀況好，缺損少。

該橋被評定為Ⅱ類橋梁結(jié)構(gòu)，有必要對其進行加固維修處理。

3 加固處理方案設(shè)計

3.1 引橋加固

針對該橋上部結(jié)構(gòu)如引橋、引拱10m普通鋼筋混凝土T梁開裂部分，采用T梁體外預(yù)應(yīng)力或多孔連續(xù)、T梁底部粘貼鋼板及裂縫注膠封縫、T梁底部及梁體腹板中性軸以下粘貼U型芳波倫碳纖維布等方法進行加固。而對于橋面、伸縮縫及腹板損壞，采用人工配合機械清理橋面病害及損壞部分的橋面鋪裝層，視情況確定是否進行橋梁橋面鋪裝層的全面清除，并視腹孔小板損壞情況修復(fù)或更換腹孔小板。

3.2 預(yù)拱度設(shè)置

由于該橋混凝土的收縮徐變，經(jīng)過多年運營后，橋面高程發(fā)生變化，拱軸線發(fā)生下?lián)稀橄拗萍庸毯髽蛎娓叱毯笃跔I運過程中的高程變化，設(shè)置預(yù)拱度。采用橋梁博士進行分析計算，如表2所示。

表2 預(yù)拱度計算結(jié)果表

根據(jù)計算結(jié)果，中梁向上設(shè)置預(yù)拱度4.2mm，邊梁向上設(shè)置預(yù)拱度4.7mm。

3.3 主橋T梁更換及加固效果

因主橋原T梁剛度不足、同時大型超重車輛頻繁通行，T梁腹板、底板已出大量裂縫，為提高主橋T梁剛度及抗彎能力，同時不過多增加上部結(jié)構(gòu)自重，將原主橋T梁截面改成梁底加馬蹄形T梁，主拱加固合計增加荷載84.82t。

為了進一步了解更換T梁上部結(jié)構(gòu)整座拱橋的力學(xué)響應(yīng)及加固效果，采用大型有限元軟件Madas/Civil2010進行分析，汽車活載按汽車超-20，掛車-120車輛荷載分別進行計算，然后取其較不利者。根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料，降溫荷載取為5 ℃，升溫荷載取10 ℃。本橋計算工程中按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTGD60-2004)第4.1.6條承載能力極限狀態(tài)進行計算。荷載組合：工況①，1.2×恒載；工況②，1.2×恒載+1.4×車道荷載最大值+0.98溫升；工況③，1.2×恒載+1.4×車道荷載最大值+0.98溫降；工況④，1.2×恒載+1.4×車道荷載最小值+0.98溫升；工況⑤，1.2×恒載+1.4×車道荷載最小值+0.98溫降；工況⑥，1.2×恒載+1.4×特種荷載最大值+0.98溫升；工況⑦，1.2×恒載+1.4×特種荷載最大值+0.98溫降；工況⑧，1.2×恒載+1.4×特種荷載最小值+0.98溫升；工況⑨，1.2×恒載+1.4×特種荷載最小值+0.98溫降。

圖3 不同工況作用下各控制截面安全富裕量柱形圖

為分析更換T梁后對整座橋梁結(jié)構(gòu)安全性能影響，將不同工況下引起拱橋不同控制截面的安全富裕量進行分析，如圖3所示。

分析發(fā)現(xiàn)：通過計算拱橋上部10m跨徑簡支T梁在轉(zhuǎn)換為連續(xù)結(jié)構(gòu)后的主拱圈內(nèi)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)顯示該橋在恒載工況下，各控制截面均能滿足承載力要求，在4個升溫組合工況下，拱橋各截面均能滿足承載力要求，而在4個降溫組合工況下，拱腳截面均不滿足承載力要求，其他截面均能滿足承載力要求。全橋部分截面安全儲備不足，建議進一步對主拱圈進行進一步加固整治處理。

3.4 主拱圈加固方案

3.4.1 原材料

主拱圈主要采用自密實混凝土進行加固處理，由于自密實混凝土具有很高的流動性，并在混凝土的澆筑過程中不發(fā)生離析、泌水，能夠不依靠自重作用填充模板空間和包裹密集分布鋼筋。工程中配制自密實混凝土的主要原材料指標如下所示：

(1)水泥：有關(guān)實驗和研究資料表明，普通硅酸鹽水泥配制的自密實混凝土較礦渣水泥、粉煤灰水泥配制的混凝土和易性、均質(zhì)性好，混凝土硬化時間短，混凝土外觀質(zhì)量好，便于拆模。選取普通硅酸鹽水泥配制自密實混凝土，其物理力學(xué)性能指標見表3。

表3 水泥的物理力學(xué)性能表

(2)細集料：屬Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)為2.9，表觀密度為2.717g/cm3，堆積密度為1.64g/cm3，泥塊含量為0.2%，壓碎值18.0%。級配如圖4所示，符合GB/T14684-2001《建筑用砂》Ⅱ級級配的要求。

圖4 細集料級配曲線圖

(3)粗集料：表觀密度為2.718g/cm3，堆積密度為1.55g/cm3，含泥量為0.6%，針片狀含量為7.9%，壓碎值為12.9%，級配如圖5所示。

圖5 粗集料篩分曲線圖

(4)摻配設(shè)計曲線：各種集料摻配比例確定為粗集料∶石屑=50%∶50%，高效減水劑摻量為1.0%，采用飲用水拌制，自密實混凝土摻配曲線如圖6所示。

圖6 自密實混凝土摻配設(shè)計曲線圖

3.4.2 加固措施

主拱圈加固方案設(shè)計為：拱腳空腹段采用現(xiàn)澆C50封閉套箍加固技術(shù)，加固長度為9.0m；主拱圈頂板、側(cè)肋現(xiàn)澆25cm厚C50混凝土，主拱圈底板現(xiàn)澆25cm厚C50自密實混凝土，拱腹、拱背加固層厚度為25cm，拱側(cè)加固層厚10cm；鋼筋采用HRB335直徑為25mm，在拱背和拱腹處植入HRB335φ16mm鋼筋，主拱拱臺處植入HRB335φ25mm鋼筋，如圖7～8所示。在整個加固實施前，對原結(jié)構(gòu)石料松動、脫落等不良情況，均采取鑿除后用界面劑修復(fù)后再進行其他工序的施工。

圖7 主拱圈加固設(shè)計圖

圖8 實腹填心段注漿加固圖

4 加固前后力學(xué)驗算

加固前后主拱圈撓度驗算、主拱圈整體“強度-穩(wěn)定性”驗算計算結(jié)果見下頁表4～5。不同工況下各主控制截面安全富裕量增加量如下頁圖9所示。

(1)結(jié)構(gòu)加固前后在一般汽車荷載和特種汽車荷載作用下的各主控制截面的拱箱撓度絕對值均小于規(guī)范限值L/1 000=13cm的要求，加固前最大變形值為11.335cm，加固后最大變形值為11.660cm。

(2)加固前后，該拱橋在各種工況組合下，主拱圈拱箱均滿足整體“強度-穩(wěn)定”規(guī)范要求。

(3)主拱圈加固后，不同工況荷載作用下，各主控制截面安全富裕量均有很大提高，且拱腳采用套箍加固技術(shù)后，安全富裕量提高明顯。一般荷載作用下加固后安全富裕量最大增大值為工況④拱腳截面增加13.30倍；特種荷載作用下加固后安全富裕量最大增大值為工況⑦左拱腳截面22.46倍。

表4 加固前后主拱圈撓度對比表

圖9 不同工況作用下各控制截面安全富裕量增加倍數(shù)圖

工況加固前Hd(kN)Nd(kN)r0×Nd判斷結(jié)果加固后Hd(kN)Nd(kN)r0×Nd判斷結(jié)果①9724.41211013.5812114.94通過-9429.5411013.58-11747.58通過②10801.6912233.6713457.04通過10442.3712233.6713009.39通過③10590.8211994.8413194.33通過10151.3811994.8412646.87通過④10801.6912233.6713457.04通過7870.4312233.679805.19通過⑤10590.8211994.8413194.33通過7579.43911994.849442.67通過⑥13396.5315172.5116689.76通過15932.9715172.5119849.73通過⑦13185.6514933.6816427.04通過15745.8314933.6819616.58通過⑥9681.71410965.2212061.74通過6629.59810965.228259.33通過⑦9470.83810726.3911799.03通過6442.45710726.398026.19通過

5 結(jié)語

本文以云南某箱型拱橋為例，對箱型拱橋混凝土裂縫、拱軸線下?lián)系炔『︻愋瓦M行加固方案設(shè)計。

(1)對該橋梁現(xiàn)階段病害類型進行正確把握并提出合理加固方案設(shè)計，對橋梁主要病害的成因分析是加固設(shè)計的重點。

(2)在不增加原橋梁自重情況下，采取馬蹄型T梁取代原T梁結(jié)構(gòu)，加大了橋梁上部結(jié)構(gòu)整體剛度和穩(wěn)定性；根據(jù)力學(xué)分析，采用自密實混凝土材料和環(huán)套加固技術(shù)對主拱拱腳進行加固處理，在保證正常車輛通行情況下，此加固方法在加固效果、施工難易程度及經(jīng)濟性和可行性等方面都是最合理的。

(3)加固后橋梁的承載能力有了顯著提高，在不同工況荷載情況下主拱圈各控制截面較加固前有明顯改善，橋梁的主拱圈撓度和“強度-穩(wěn)定性”等滿足規(guī)范要求，達到了拱橋加固的預(yù)期效果。

為了保證橋梁結(jié)構(gòu)在后期安全運營的整體強度，建議橋梁養(yǎng)護部門對加固后橋梁做定期“體檢、護理”，增強橋梁“體質(zhì)”，對重載交通車輛實行上橋車輛管制，加大超載治理力度，確保橋梁結(jié)構(gòu)長期安全運營。

[1]JTGH11-2004，公路橋梁養(yǎng)護規(guī)范[S].

[2]李令喜.枝城長江大橋公路橋維修加固設(shè)計方案研究[J].中外公路，2013，33(5)：136-139.

[3]李桓興，楊春雷，譚曉琦，等.云南省六庫怒江大橋加固設(shè)計方案研究[J].公路工程，2013，38(2)：129-132.

[4]余超良.體外預(yù)應(yīng)力加固連續(xù)梁橋施工監(jiān)控研究[J].中外公路，2013，33(6)：202-204.

Disease Investigation and Reinforcement Plan Design of A Box-shaped Arch Bridge

MO Shi-bu1，HU Song-shan2，3，ZHAO Yue-qing1

(1.Guangxi Changchang Road and Bridge Construction Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011；2.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；3.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007)

With a box-shaped arch bridge in Yunnan as the practical example，this article analyzed the diseases types and causes of cracks，plate fracture，pavement layer evolving and bridge arch axis downwarping of this bridge caused by heavy traffic load，proposed the replacement of original T-beam superstructure，closed sleeve reinforcement technology and other distribution reinforcement and repair programs，and conducted the mechanical checking on the bridge structure after reinforcement，and the results showed that：after the reinforcement，the safety margin of all control cross-sections in main arch has a significant increase，and the bridge carrying capacity is greatly improved.

Box-shaped arch bridge；Disease type；Reinforcement design；Mechanical checking；Sleeve-replacement reinforcement technology

莫仕步(1980—)，工程師，主要從事公路與橋梁技術(shù)管理工作；胡松山(1986—)，碩士，工程師，主要從事路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料研發(fā)；趙月青(1977—)，工程師，主要從事公路與橋梁試驗檢測管理工作。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.07.013

1673-4874(2015)07-0053-06

2015-06-04