空腹式鋼筋混凝土拱橋拓寬加固新方法

莊家智，毛久群

(1.重慶市設(shè)計(jì)院， 重慶　400015； 2.重慶能源職業(yè)學(xué)院， 重慶　402260)

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空腹式鋼筋混凝土拱橋拓寬加固新方法

莊家智1，毛久群2

(1.重慶市設(shè)計(jì)院， 重慶400015； 2.重慶能源職業(yè)學(xué)院， 重慶402260)

摘要：針對空腹式鋼筋混凝土拱橋拱上建筑存在嚴(yán)重病害且需要拓寬加固的情況，探討一種將拱式腹孔改為梁式腹孔的加固措施。以重慶彭水烏江空腹式鋼筋混凝土拱橋?yàn)橐劳?，分析、比較采用該方法加固前后拱腳、1/4L截面、拱頂截面的力學(xué)特性，并闡述其主要施工步驟。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土拱橋；拓寬加固；拱上建筑；應(yīng)力

目前，我國早期修建的相當(dāng)數(shù)量的空腹式鋼筋混凝土拱橋已出現(xiàn)了不同程度的老化和損壞[1]，其中相當(dāng)一部分橋梁已不能滿足現(xiàn)有通行及承載能力等要求[2]，必須進(jìn)行維修改造或拓寬加固以消除安全隱患，滿足橋梁使用要求。本文針對空腹式鋼筋混凝土拱橋存在嚴(yán)重病害且需要拓寬加固的情況，探討一種將拱式腹孔改為梁式腹孔的加固方法。該方法通過減輕拱上建筑重量來降低主拱圈的應(yīng)力水平，對主拱圈進(jìn)行局部加強(qiáng)并改善其內(nèi)力分布，以從根本上解決目前拱上建筑和橋面系的諸多病害，改善橋面的通行條件及人行道的通行能力。該方法已成功運(yùn)用于重慶彭水烏江空腹式鋼筋混凝土拱橋，并取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。本文以該橋?yàn)橐劳?，分析、比較采用該方法加固前后拱腳、1/4L截面、拱頂截面的力學(xué)特性，介紹該方法的主要施工步驟，以期對同類橋梁的維修和拓寬加固提供參考。

1橋梁病害狀況

1.1工程概況

重慶彭水烏江空腹式鋼筋混凝土拱橋于1974年5月建成通車，上世紀(jì)90年代對橋道系進(jìn)行了局部改造。該橋全長275.40 m，橋面凈寬9 m(凈7 m(車行道)+2×1.0 m(人行道))。主橋上部結(jié)構(gòu)為2孔跨徑100 m、矢跨比1/7的預(yù)制吊裝箱形拱(5段吊裝)，下部結(jié)構(gòu)為擴(kuò)大基礎(chǔ)實(shí)體墩臺。橋梁總體布置如圖1所示。

1.2現(xiàn)場病害調(diào)查

對重慶彭水烏江空腹式鋼筋混凝土拱橋進(jìn)行了現(xiàn)場病害調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明，烏江空腹式鋼筋混凝土拱橋主拱多處出現(xiàn)混凝土泛白；保護(hù)層薄弱處鋼筋銹蝕膨脹，致使局部保護(hù)層混凝土被脹裂脫落，縱向鋼筋外露；拱圈未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫。由于石料風(fēng)化及后期超負(fù)荷等原因，導(dǎo)致石砌拱上建筑病害嚴(yán)重，即：腹拱圈出現(xiàn)不同程度的橫向裂縫，裂縫寬1～8 mm，如圖2所示；拱上橫墻(立柱)受雨水沖刷，滲水嚴(yán)重；由于橫墻(立柱)抗剪能力不足以承受腹拱水平推力，造成部分拱上橫墻(立柱)出現(xiàn)縱向錯(cuò)動、偏位，砂漿砌縫出現(xiàn)不同程度脫落。外觀檢查、特殊檢查及荷載試驗(yàn)測試結(jié)果表明，該橋目前總體工作狀態(tài)較差，腹拱圈在荷載作用下?lián)隙茸冃芜^大，不滿足使用要求。因此，必須對拱上橫墻(立柱)進(jìn)行徹底修補(bǔ)和加固處理，以加強(qiáng)其剛度，提高結(jié)構(gòu)的整體工作性能。

圖1　橋梁總體布置

圖2　腹拱風(fēng)化及縱橫向裂縫

2加固方案

為提高重慶彭水烏江空腹式鋼筋混凝土拱橋的極限承載能力和結(jié)構(gòu)的整體性，根治主要病害，制定了如下加固方案：拆除原有橋面系、原有腹拱結(jié)構(gòu)和橫墻，新建鋼筋混凝土梁式腹孔及橋面系，且人行道加寬至2 m。采用該處治措施后，拱上建筑重量減少，從而可減少橋梁主拱的負(fù)載，提高橋梁活載通行能力。

該橋加寬總體布置見圖3。將原石砌拱式拱上建筑改建為鋼筋混凝土梁式拱上建筑。人行道加寬后，橋面布置為：凈7 m(車行道)+2×2.0 m(人行道)。

3力學(xué)特性分析

為驗(yàn)證上訴加固方案是否安全、可行，對橋梁加固前后的受力狀態(tài)進(jìn)行了模擬分析，并用橋梁博士3.0進(jìn)行計(jì)算。由于舊危橋存在病害，致使結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)力與原設(shè)計(jì)狀態(tài)不同，因此進(jìn)行有限元分析時(shí)應(yīng)按實(shí)際情況建立適當(dāng)?shù)挠邢拊Ｐ蛠矸从巢『χ貞c彭水烏江空腹式鋼筋混凝土拱橋結(jié)構(gòu)受力的影響[3]。模型參數(shù)處理如下。

1) 拱軸線變形影響。由于主拱圈的變形使得拱軸線與設(shè)計(jì)拱軸線存在較大偏離，其對主拱圈的受力會產(chǎn)生很大影響，因此應(yīng)按實(shí)測拱軸線建模[6]。

2) 加固前腹拱圈開裂及破損影響。根據(jù)列分統(tǒng)計(jì)和石砌腹拱風(fēng)化情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對腹拱圈的彈性模量進(jìn)行適當(dāng)折減。

3) 主拱圈病害影響。由于主拱圈并未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，故建模過程中僅對主拱圈混凝土強(qiáng)度輕微折減，不對其彈性模量進(jìn)行折減。

加固前后橋梁有限元模型如圖4所示。

圖3　加固后橋梁總體構(gòu)造

圖4　橋梁有限元模型

設(shè)計(jì)荷載考慮以下3個(gè)荷載工況。

荷載組合Ⅰ：恒載+汽-20+人群。

荷載組合Ⅱ：恒載+汽-20+人群+溫度。

荷載組合Ⅲ：恒載+掛-100。

本文用Rn表示結(jié)構(gòu)抗力，Nj表示結(jié)構(gòu)內(nèi)力，效應(yīng)值n=Rn/Nj，Rn與Nj的比值越大則表示結(jié)構(gòu)越安全。重慶彭水烏江空腹式鋼筋混凝土拱橋加固前后Rn/Nj比較如表1所示。

表1　重慶彭水烏江空腹式鋼筋混凝土

注：L為橋梁計(jì)算跨徑。

經(jīng)模型分析，發(fā)現(xiàn)采用該方法改造拱上建筑結(jié)構(gòu)后，原拱上建筑重量減輕了約25%，對主拱圈具有減載作用。

同時(shí)，由表1可以看出，除拱頂截面在荷載組合Ⅲ下加固后n值有所下降外，其他截面都呈上升趨勢，說明加固后結(jié)構(gòu)的可靠性增加；加固后拱頂截面在荷載組合Ⅲ下n值雖有所下降但值均大于2，說明結(jié)構(gòu)有足夠的富裕度；在拱腳部位，解決了在荷載組合Ⅰ及Ⅱ下原橋承載能力不足的問題。

綜上所述 ，原橋具有嚴(yán)重病害的拱上建筑被鋼筋混凝土簡支腹孔取代后，從根本上解決了目前拱上建筑和橋面系的諸多病害。

4主要施工步驟

4.1主拱圈病害處理

為保障施工時(shí)橋體結(jié)構(gòu)和施工人員的安全，保證加固效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，在對該橋主拱圈進(jìn)行病害處理時(shí)，采取全橋封閉方式施工[5]。在拱上建筑改造前，先對主拱圈的局部病害作如下處理。

1) 對于結(jié)構(gòu)表面存在的蜂窩、麻面、混凝土剝落、掉塊、缺損、凹陷等缺陷，首先將缺陷部位表層的松散混凝土全部鑿除，露出新鮮混凝土，然后對缺陷部位的外露鋼筋進(jìn)行人工除銹，并將混凝土表面清理干凈，用環(huán)氧混凝土(或環(huán)氧砂漿)對缺陷部位進(jìn)行修補(bǔ)[6]。

2) 將拱背上滋生的雜草、灌木進(jìn)行徹底清理。

4.2拱上建筑改造的主要施工步驟

根據(jù)重慶彭水烏江空腹式鋼筋混凝土拱橋病害及實(shí)際受力狀況，結(jié)合計(jì)算分析及施工工藝要求，加固施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按以下步驟進(jìn)行，且每個(gè)步驟中必須遵循對稱原則[7]。

第1步：依次拆除原橋欄桿、路緣石、人行道板、橋面鋪裝。

第2步：依次拆除原橋拱式腹孔。

第3步：依次拆除原橋立墻并對主拱進(jìn)行修補(bǔ)。

第4步：設(shè)計(jì)順序澆筑墊墻。

第5步：澆筑拱上立柱至蓋梁底面。

第6步：安裝蓋梁。

第7步：安裝行車道板。

第8步：安裝欄桿、路緣石、人行道板，施工橋面鋪裝、排水設(shè)施及其它附屬設(shè)施。

進(jìn)行各構(gòu)件各部位加固前，應(yīng)對加固面的缺陷和破損進(jìn)行修復(fù)[8]。

5結(jié)束語

本文針對拱上建筑病害嚴(yán)重、整體性能差，且需拓寬加固的空腹式鋼筋混凝土拱橋，探討一種將拱式腹孔改為鋼筋混凝土梁式腹孔的方法，并用橋梁博士3.0進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證了其安全性和可行性。采用該方法對重慶彭水烏江空腹式鋼筋混凝土拱橋進(jìn)行徹底改造，從而可從根本上解決目前拱上建筑和橋面系的諸多病害，顯著改善橋面的通行條件及人行道的通行能力，且無耐久性隱患。

該方法在重慶彭水烏江空腹式鋼筋混凝土拱橋中的成功應(yīng)用可為同類橋梁拓寬加固提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]邢秀清．石拱橋常見橋型與病害分析[J]．山西建筑，2010，36(2)：334-335．

[2]云嶺，蒙云．粘貼鋼板法在石拱橋加固中的應(yīng)用[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，23(增)：22-24.

[3]周志祥，賀鵬，趙燦暉．大跨度雙曲拱橋維修加固研究[J]．重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，23(3)：1-4．

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[5]HINDOKR．In2place Bond Testing and Surface Preparation of Concrete[J]．Concrete International，1990(4)：46-48．

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[8]廖碧海，王國鼎．拱橋加固新方法的研究及應(yīng)用[J]．公路，2006(10)：34-36．

New Method for Widening and Reinforcing Hollow Reinforced Concrete Arch Bridges

ZHUANG Jiazhi1, MAO Jiuqun2

Abstract:In allusion to serious diseases in architectures on hollow reinforced concrete arch bridges and the need of widening and reinforcing, this paper probes into a reinforcing measure that modifies arch gastropores into beam gastropores. Dependent on Wujiang River Hollow Reinforced Concrete Arch Bridge in Pengshui, Chongqing, this paper analyzes and compares the mechanical characteristics of front and rear arch supports, 1/4L cross section and arch crown section reinforced in this method, and expatiates main construction steps.

Keywords:reinforced concrete arch bridge; widening and reinforcing; architecture on arch; stress

文章編號：1009-6477(2016)01-0090-04

中圖分類號：U448.22

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

作者簡介：莊家智(1983-)，男，重慶市人，碩士，工程師。

收稿日期：2015-07-15

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.020