某公路雙曲拱橋承載能力分析與加固技術(shù)研究

祝于紅　鄒政權(quán)

(1.浙江通衢交通建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司　衢州　324000;　2.浙江金筑交通建設(shè)有限公司　杭州　310051)

某公路雙曲拱橋承載能力分析與加固技術(shù)研究

祝于紅1鄒政權(quán)2

(1.浙江通衢交通建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司衢州324000;2.浙江金筑交通建設(shè)有限公司杭州310051)

摘要針對(duì)使用多年且以重載交通為主的雙曲拱橋，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析其主要病害，并采用有限元法驗(yàn)算橋梁承載能力。對(duì)承載能力不足的主拱圈截面，分別采用加大截面、粘貼鋼板、加大橫系梁等方法進(jìn)行了加固，在有效提升結(jié)構(gòu)承載能力的同時(shí)，還提高了結(jié)構(gòu)的耐久性，為延長橋梁的服役壽命提供了保障。通過靜動(dòng)載試驗(yàn)及加固后超過1年的觀察，橋梁運(yùn)行狀況良好，證明了所提出的加固方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞雙曲拱橋橋梁加固截面加厚粘鋼承載能力

雙曲拱橋具有結(jié)構(gòu)美觀輕巧、 造價(jià)經(jīng)濟(jì)、 施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在我國橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。隨著交通量逐年增多，重載超載車輛嚴(yán)重，同時(shí)由于雙曲拱橋建成時(shí)間較長，結(jié)構(gòu)承載力下降，維修不到位等原因，造成雙曲拱橋病害日益突出。本文以某雙曲拱橋?yàn)楣こ虒?shí)例，通過MIDAS軟件對(duì)主拱圈承載能力進(jìn)行分析，探討不同的主拱加固方法的應(yīng)用情況，評(píng)價(jià)雙曲拱橋加固后所達(dá)到的實(shí)際效果。

1　工程概況

某單跨雙曲拱橋，于上世紀(jì)90年代初建成，設(shè)計(jì)荷載為汽車-15、掛車-80。橋梁全長39.2m，跨徑30m，矢高3.65m，橋面凈寬8.75m。主拱圈橫向采用5肋4波，兩側(cè)外懸半波，肋間為預(yù)制混凝土拱波。下部結(jié)構(gòu)采用重力式橋臺(tái)，見圖1。該橋橋上通行為旅客以及貨車為主。交通量逐年增大，另外橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)偏低，雙曲拱橋結(jié)構(gòu)整體較差，橋梁運(yùn)營至今已頻繁出現(xiàn)病害，為了確保通行安全，需對(duì)橋梁采取加固措施。

圖1　橋型布置圖(單位：mm)

2　病害分析

橋梁經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，主要病害有：混凝土主拱圈、橫系梁受過往船只刮擦、撞損較嚴(yán)重，拱圈底面混凝土大面積剝離、露筋。拱上立柱以及立柱橫梁的鋼筋銹蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層剝落。拱波頂部出現(xiàn)縱向貫通裂縫，裂縫寬度0.2～0.5mm。橋面混凝土鋪裝層剝離、坑槽普遍，并有貫通橫縫。雙曲拱橋側(cè)墻發(fā)生鼓肚，排水不暢，填土內(nèi)聚積水從橋面裂縫直接滲漏至拱圈上。

2　橋梁承載能力評(píng)定

2.1計(jì)算模型及荷載組合

(1) 計(jì)算模型。采用MIDAS軟件對(duì)主拱圈

參考文獻(xiàn)

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建立空間梁單元模型，見圖2，不計(jì)拱上建筑與主拱肋的聯(lián)合作用，將其自重以外荷載的方式施加在模型上。以空間梁格法來模擬實(shí)橋結(jié)構(gòu)，主拱圈的拱肋按梁單元建模，拱波和拱板模擬成同一種板單元，兩者通過剛性約束與拱肋連接，拱肋拱腳處固結(jié)，拱波的拱腳處采用鉸接，主拱圈劃分為 801個(gè)節(jié)點(diǎn)，708個(gè)單元。橋梁幾何參數(shù)、力學(xué)參數(shù)根據(jù)該橋梁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定。

為便于采用單片拱肋進(jìn)行計(jì)算，利用單位荷載在各截面橫向移動(dòng)并計(jì)算相應(yīng)位移的方法計(jì)算相應(yīng)截面的橫向位移影響線，以此計(jì)算各片拱肋的荷載橫向分布系數(shù)，在此基礎(chǔ)上可方便計(jì)算各片拱肋的內(nèi)力值。為使計(jì)算模型盡可能真實(shí)地反映橋梁的現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，依照《公路橋梁承載能力評(píng)定規(guī)程》(JTG/TJ21-2011)的規(guī)定，采用下式對(duì)主拱圈承載能力進(jìn)行評(píng)定。

(1)

圖2橋梁計(jì)算有限元模型

式中 ：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；fd為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；αd為結(jié)構(gòu)幾何尺寸；Z1為承載能力檢算系數(shù)；ξc為截面折減系數(shù)。

(2) 荷載組合。依據(jù)原橋設(shè)計(jì)規(guī)范，考慮以下2種荷載組合：

組合I。恒載+汽車+溫差(整體升、降溫20 ℃)。

組合II。恒載+掛車。

2.2加固前承載能力評(píng)定

加固前主拱肋承載能力檢算結(jié)果見表1。

表1　加固前主拱肋承載能力檢算結(jié)果

由表1可見，加固前主拱圈拱腳截面在荷載組合II作用下、跨中截面在荷載組合I和II作用下的最不利荷載組合內(nèi)力值均已超過結(jié)構(gòu)的承載能力，表明這2個(gè)截面的承載能力已不能滿足規(guī)范要求，需對(duì)相關(guān)構(gòu)件采取加固措施。

3　維修加固方案

3.1加固思路

最大限度地利用舊橋結(jié)構(gòu)，加固方案力求經(jīng)濟(jì)、合理，結(jié)構(gòu)安全，施工方便。加固的范圍主要是：對(duì)舊橋裂縫以及破損混凝土進(jìn)行修補(bǔ)，補(bǔ)強(qiáng)主拱圈、加強(qiáng)橫系梁、提高結(jié)構(gòu)整體剛度。通過拱肋粘貼鋼板和增大拱腳段截面，增加構(gòu)件受力面積，相應(yīng)地提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載力。同時(shí)解決既有構(gòu)件因裂縫產(chǎn)生的鋼筋銹蝕問題，提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

3.2加固措施

加固措施考慮以增加盡可能小的恒載，爭(zhēng)取到盡可能大的承載能力。同時(shí)通過合理調(diào)整減載和加載的順序降低截面累計(jì)應(yīng)力，最大限度地提高橋梁的承載能力。

(1) 主拱肋粘貼鋼板。主拱圈是雙曲拱的主要受力構(gòu)件，也是本次加固的主要對(duì)象。為改善拱頂、拱腳的受力狀態(tài)，對(duì)全橋拱肋下緣及兩邊肋外側(cè)采用壓力注膠粘貼厚度8mm的Q235B鋼板。鋼板每隔0.4m采用全螺紋螺栓固定于主拱肋上。粘貼鋼板前應(yīng)將原結(jié)構(gòu)表面碳化層鑿除、打磨平整，并修補(bǔ)裂縫、修復(fù)破損[3]。加固后，在鋼板表面涂刷環(huán)氧富鋅漆做表面防護(hù)。粘貼鋼板加固方法不增加自重，可適用于要求不增加恒載效應(yīng)的加固中。另外，這種方法不能增加主拱圈剛度，鋼板只能抵抗部分拉應(yīng)力，從而減小或改善開裂狀態(tài)，不能改善結(jié)構(gòu)受壓應(yīng)力狀態(tài)。

(2) 加厚拱腳段截面。主拱圈從拱腳截面到第一根立柱橫梁段采用增大截面法進(jìn)行加固，增大拱腳區(qū)段的截面剛度，改善拱腳拱頂2個(gè)控制截面的受力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。拱腳截面頂部加固厚度為20cm，立柱橫梁截面頂部加固厚度為10cm，之間直線漸變。混凝土采用C30微膨脹混凝土。混凝土內(nèi)設(shè)置間距為10cm×10cm鋼筋網(wǎng)，縱向受力鋼筋植入拱座，且縱、橫鋼筋與錨固鋼筋采用點(diǎn)焊連接。拱腳截面加固見圖3。

圖3　拱腳截面加固圖(單位：cm)

(3) 增大橫系梁截面。增大截面法主要是通過增大構(gòu)件的截面面積或配置鋼筋，以提高構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和構(gòu)件的抗裂性能[4]。為提高主拱圈的整體受力性能，在橫系梁兩側(cè)各加寬10cm鋼筋混凝土截面，上至拱波。將拱肋與橫系梁連接處混凝土鑿開，露出拱肋主筋，將橫梁鋼筋與拱肋主筋焊接，再澆筑橫梁混凝土。由于構(gòu)件截面較小且工作空間有限，為確保橫梁混凝土施工質(zhì)量，采用自流平混凝土。橫系梁截面加固增大了斷面尺寸，增加了鋼筋，改善了受力條件。

(4) 修補(bǔ)裂縫。該橋拱波結(jié)構(gòu)受損較為嚴(yán)重，出現(xiàn)多條縱向裂縫。拱波裂縫集中出現(xiàn)在拱頂附近及橫隔墻根部對(duì)應(yīng)位置，對(duì)主拱圈的整體受力性能產(chǎn)生很大的影響。根據(jù)裂縫寬度大小采取不同的處理措施。對(duì)于裂縫寬度小于0.15mm時(shí)，采用聚合物水泥表面封閉法；對(duì)于裂縫寬度大于等于0.15mm時(shí)，采用灌注混凝土裂縫修補(bǔ)膠液封閉法[5]。該橋拱波裂縫進(jìn)行封閉處治，采取灌漿法進(jìn)行修補(bǔ)。灌漿的主要作用是封閉裂縫、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的整體性，防止混凝土開裂腐蝕鋼筋，起到一定的補(bǔ)強(qiáng)作用，恢復(fù)混凝土構(gòu)件的整體性能，同時(shí)在拱波和腹拱底部粘貼兩層碳纖維布，以提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能。碳纖維布強(qiáng)度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固構(gòu)件自重及截面尺寸，施工時(shí)不需要大型設(shè)備，在舊橋改造中具有極大的優(yōu)越性。

(5) 恢復(fù)破損混凝土構(gòu)件。對(duì)于全橋混凝土破損、鋼筋裸露的部位，將表層混凝土鑿除，對(duì)鋼筋除銹后，澆筑混凝土進(jìn)行封閉。鋼筋斷裂的采用等強(qiáng)度鋼筋補(bǔ)強(qiáng)后方可澆筑混凝土。

(6) 更換橋面鋪裝。由于橋梁橋面破壞嚴(yán)重，出現(xiàn)橋面不平整、破損等病害，服務(wù)水平急需提升。首先鑿除所有原橋面鋪裝及實(shí)腹段填料，重新鋪設(shè)C40鋼纖維混凝土，橋面鋪裝鋼筋采用D8冷軋帶肋焊接鋼筋網(wǎng)。在橋梁兩側(cè)橋臺(tái)處增設(shè)一道異型鋼伸縮縫。

4　加固后橋梁承載能力評(píng)定

采取了上述加固措施后主拱圈的承載能力見表2。雙曲拱橋加固前后承載能力對(duì)比分析見圖4。

表2　加固后拱肋承載能力計(jì)算結(jié)果

圖4　雙曲拱橋加固前后承載能力對(duì)比分析圖

由圖4可知，加固后的主拱圈拱腳和跨中截面的承載能力得到了明顯提高，各截面的設(shè)計(jì)內(nèi)力值均小于結(jié)構(gòu)抗力值，且具有一定的安全儲(chǔ)備。其中拱腳處承載能力的提高幅度最大，拱腳IImin加固后承載能力提升了近4.4倍，表明加厚拱腳段截面加固措施對(duì)提高結(jié)構(gòu)的承載能力是切實(shí)可行的。L/4和L/2處的承載能力也有1.5～3.5倍左右的提升。綜合而言，上述加固措施對(duì)改善雙曲拱橋的承載能力是合理且有效的。本橋在加固完成后進(jìn)行了靜動(dòng)載試驗(yàn)，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。橋梁重新投入運(yùn)營至今已超過1年，結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況良好，未出現(xiàn)新的病害。

加固雙曲拱橋要注意以下方面

(1) 加固后的橋梁在日常荷載作用下，原結(jié)構(gòu)以及新增入的結(jié)構(gòu)各部分的力度、剛度和裂縫，應(yīng)同時(shí)符合目前設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

(2) 要提升橋梁的活載能力時(shí)，原本結(jié)構(gòu)也應(yīng)在持續(xù)恒載應(yīng)力形態(tài)下操作。為此，原本結(jié)構(gòu)的全部恒載和加固后增加的恒載，均由原構(gòu)件承擔(dān)?；钶d由原結(jié)構(gòu)和新增加的構(gòu)件共同承擔(dān)。

(3) 采用截面增大法進(jìn)行舊橋加固時(shí)，由于新舊結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)或混凝土之間的收縮不同，會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重新分布，在新舊材料或新舊混凝土的銜接面上出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，容易出現(xiàn)裂縫而影響到結(jié)構(gòu)的整體性。因此，必要時(shí)要進(jìn)行收縮力的驗(yàn)算。為減小混凝土收縮的不利影響，應(yīng)盡可能采用性能相近的材料。

5　結(jié)論

(1) 通過增大拱腳截面、拱底粘貼鋼板、加寬橫系梁、裂縫注漿等加固措施，修復(fù)橋梁現(xiàn)存病害，提高了主拱圈的承載能力及結(jié)構(gòu)耐久性。靜動(dòng)載試驗(yàn)及恢復(fù)通車后觀察結(jié)果表明，加固效果良好。

(2) 根據(jù)雙曲拱橋的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，有針對(duì)性地采取加固措施，在有效提升承載能力的同時(shí)，盡可能小地增加結(jié)構(gòu)自重及改變結(jié)構(gòu)受力體系。

(3) 加固施工應(yīng)遵循先減載再加固，最后恢復(fù)實(shí)腹段及橋面的順序，使加固部件與原構(gòu)件共同承擔(dān)橋梁恒載。

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收稿日期：2015-07-03

BearingCapacityAnalysisandResearchonReinforcement
TechnologyofaDoubleCurvedArchBridge

Zhu Yuhong1，ZouZhengquan2

(1.ZhejiangAccessibleTransportationConstructionSupervisionConsultingCo.,Ldt.,Quzhou324000,China;

2.ZhejiangJinzhuTransportationConstructionCo.,Ltd.,Hangzhou310051,China)

Abstract：Aiming at the hyperbolic arch bridge with heavy traffic over the years, the main damages were analyzed by field investigation, and the bearing capacity of the bridge was checked by the finite element method.For the main arch ring section lacking of bearing capacity,we could use the method of increasing section, pasting steel plate and increasing cross beam to reinforce., These methods effectively enhanced the bearing capacity of the structure, and improved the durability of the structure, which can provide a guarantee to extend the bridge service life . Through the static and dynamic load test and the observation of the bridge over a year, the operation of the bridge is good,. The feasibility and effectiveness of the method proposed in this paper is proved.

Key words:hyperbolic arch bridge; bridge strengthening; cross section thickness; steel bearing capacity

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.007