雙曲拱橋加固方法的分析研究

申俊

（惠州市道路橋梁勘察設(shè)計(jì)院，廣東　惠州　516001）

雙曲拱橋加固方法的分析研究

申俊

（惠州市道路橋梁勘察設(shè)計(jì)院，廣東惠州516001）

以20世紀(jì)70年代建成的某雙曲拱橋?yàn)楣こ虒?shí)例，根據(jù)現(xiàn)狀橋梁的病害特點(diǎn)，給出了針對(duì)該雙曲拱橋加固維修的兩種方法及其對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。主要分析了兩種加固方案下，主拱圈截面加強(qiáng)、腹拱圈內(nèi)襯混凝土、換填輕質(zhì)混凝土等加固措施對(duì)雙曲拱橋主要構(gòu)件的承載能力、裂縫、穩(wěn)定性等指標(biāo)的影響。通過(guò)對(duì)比得出結(jié)論：方案一通過(guò)增大拱圈截面及腹拱圈內(nèi)襯鋼筋混凝土，可以提高主拱圈與腹拱的承載能力，但由于加載明顯導(dǎo)致橋墩蓋梁抗剪承載力，主拱圈穩(wěn)定系數(shù)不足；加固方案二通過(guò)換填拱上填料為輕質(zhì)混凝土并加高橋臺(tái)蓋梁，加固后可以很好地滿足雙曲拱橋的各項(xiàng)力學(xué)性能，相比方案一更具有優(yōu)勢(shì)。

雙曲拱橋；舊橋加固；拱圈；拱上填料

0　引言

在我國(guó)，雙曲拱橋首創(chuàng)于20世紀(jì)60年代，這種橋型具有結(jié)構(gòu)美觀輕便、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，自創(chuàng)立之日起在我國(guó)各地都得到了廣泛運(yùn)用與推廣。但是，由于該類拱橋整體性能差，拱肋和拱波容易開(kāi)裂，設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低，加上交通量連年增加和重載不斷出現(xiàn)，至今幾乎所有的雙曲拱橋都出現(xiàn)了不同程度的病害。因此如何合理評(píng)估此類雙曲拱橋，提出合理安全且經(jīng)濟(jì)可行的加固方案，對(duì)于現(xiàn)在還在運(yùn)營(yíng)的雙曲拱橋的維修與加固具有現(xiàn)實(shí)意義。本文以某雙曲拱橋?yàn)楣こ虒?shí)例，對(duì)比不同的加固方法，通過(guò)計(jì)算分析，比較探討了不同加固措施所達(dá)到的實(shí)際效果。

1　工程概算及病害調(diào)查分析

本文研究的拱橋?yàn)?×50 m雙曲拱橋，建于1978年，全長(zhǎng)182 m，行車道寬8 m，橋面采用水泥混凝土鋪裝。雙曲拱每跨均由6片拱肋、15道橫系梁組成，拱圈矢跨比為1/6，下部為重力式墩臺(tái)。原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽—15級(jí)，掛車—80。其橋型立面布置及橫斷面見(jiàn)圖1、圖2。

該橋通行運(yùn)營(yíng)三十多年，由于自然老化及損壞，加上近年交通量的增加及車輛超載，導(dǎo)致該橋存在嚴(yán)重的病害，被檢測(cè)機(jī)構(gòu)評(píng)為四類橋梁。其主要病害情況如下：

圖1　雙曲拱橋立面圖（單位：cm）

圖2　雙曲拱橋橫斷面圖（單位：cm）

（1）橋面系：橋臺(tái)引道及橋面鋪裝存在多處縱向裂縫與橫向裂縫；腹拱拱頂位置橋面板斷裂，局部小坑槽；路面板斷裂，橋面多處網(wǎng)裂。

（2）橋梁受力結(jié)構(gòu)：主拱圈跨中底板存在露筋及鋼筋腐蝕現(xiàn)象；腹拱圈均有開(kāi)裂，伴有滲水結(jié)晶；腹拱圈與拱上立墻滲水、泛霜及風(fēng)化現(xiàn)象較為嚴(yán)重；兩側(cè)拱腳滲水，拱波多處滲水且有滲水泛白現(xiàn)象。

綜合上述橋梁病害情況，可知該雙曲拱橋的主要病害為主拱圈、拱波及腹拱均存在開(kāi)裂露筋現(xiàn)象，橋梁整體性能較差；橋面鋪裝破壞，橋面面層剛度不夠等；拱肋保護(hù)層不足，局部鋼筋腐蝕，承載能力不足。需要進(jìn)行維修加固以延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

2　加固方案

根據(jù)本雙曲拱橋主要病害，結(jié)合常規(guī)的加固方法［1，2］，對(duì)該橋提出了兩個(gè)對(duì)比的加固方案。

加固方案一（見(jiàn)圖3）：更換全橋橋面行車道板，并增設(shè)伸縮縫、橋面橫系梁及側(cè)墻墻帽。主拱肋、拱肋系梁外包15 cm厚鋼筋混凝土；橋墩蓋梁頂采用鋼筋混凝土加大50 cm梁高。腹拱圈內(nèi)襯25 cm鋼筋混凝土。

圖3　方案一主要加強(qiáng)措施

加固方案二（見(jiàn)圖4）：更換全橋橋面行車道板，并增設(shè)伸縮縫、橋面橫系梁及側(cè)墻墻帽。拱上填料采用輕質(zhì)混凝土，容重調(diào)整為8 kN/m3；橋墩蓋梁頂采用鋼筋混凝土加大50 cm梁高。腹拱圈內(nèi)襯25 cm鋼筋混凝土。

圖4　方案二主要加強(qiáng)措施

3　加固方案對(duì)比計(jì)算

3.1加固方案有限元模擬

針對(duì)上述兩種方案，采用有限元程序分別建模，對(duì)該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算。驗(yàn)算時(shí)采用三維線彈性方法。其中下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用三維實(shí)體單元模擬；橋墩及蓋梁采用梁?jiǎn)卧M。模擬計(jì)算時(shí)，橋墩橋臺(tái)基礎(chǔ)邊界統(tǒng)一采用階段一般支承進(jìn)行約束，并采用土彈簧方式考慮墩柱周土層的約束作用。圖5為雙曲拱橋三維模擬圖。

圖5　雙曲拱橋三維模擬圖

主拱圈結(jié)構(gòu)采用梁格法模擬，拱肋間橫向連接采用橫向虛擬梁?jiǎn)卧B接。拱腳與墩臺(tái)蓋梁采用公用節(jié)點(diǎn)的方式連接。拱上橫墻與腹拱采用厚板單元模擬，由于主拱圈的拱上建筑結(jié)構(gòu)既不是梁板式結(jié)構(gòu)也不是純拱式結(jié)構(gòu)，所以拱上建筑結(jié)構(gòu)參與整體結(jié)構(gòu)體系的聯(lián)合受力效應(yīng)作了折損處理，對(duì)橫墻與主拱圈及橫系梁節(jié)點(diǎn)的結(jié)合約束剛度及腹拱節(jié)點(diǎn)與橫墻節(jié)點(diǎn)的結(jié)合約束剛度進(jìn)行折損處理。

模型中結(jié)構(gòu)材料容重根據(jù)規(guī)范取值，汽車荷載按公路Ⅱ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，偏載及沖擊力按規(guī)范計(jì)算。溫度作用及基礎(chǔ)沉降均與原橋設(shè)計(jì)資料保持一致。根據(jù)不同的加固方案，將效益組合按規(guī)范進(jìn)行組合，檢算加固后橋梁的各種力學(xué)指標(biāo)。

3.2主拱圈檢算對(duì)比

表1　主拱圈抗彎承載能力檢算對(duì)比表

表2　主拱圈抗剪承載能力檢算對(duì)比表

表3　主拱圈裂縫檢算對(duì)比表

表4　主拱圈面內(nèi)穩(wěn)定性檢算對(duì)比表

根據(jù)現(xiàn)有公路橋梁規(guī)范，取拱圈拱腳、L/4處及拱頂處截面為檢算控制截面，分別對(duì)比分析兩種加固方案下拱圈的承載能力［3］、裂縫、穩(wěn)定性（見(jiàn)表1～表4）。對(duì)于主拱肋外包鋼筋混凝土?xí)r，拱肋橫斷面中，外包的凹形斷面作為疊合截面進(jìn)行考慮，凹形疊合組件的混凝土濕重由原主拱圈結(jié)構(gòu)承受，凹形疊合組件只承受部分新施工的二期恒載及部分活載的效應(yīng)。

通過(guò)對(duì)比分析可知，方案一通過(guò)加大拱肋截面，雖然顯著提高了拱肋的抗彎與抗剪承載能力，但是由于加固方案一的增載效果非常明顯，造成拱肋裂縫寬度加大且平面內(nèi)穩(wěn)定性系數(shù)無(wú)法滿足要求。加固方案二由于減載效果明顯，改造后拱肋的承載能力、裂縫寬度及平面內(nèi)穩(wěn)定性指標(biāo)比較容易控制。

3.3橋墩蓋梁檢算對(duì)比

表5　橋墩蓋梁抗彎承載力檢算對(duì)比表

表6　橋墩蓋梁抗剪承載力檢算對(duì)比表

表7　橋墩蓋梁裂縫檢算對(duì)比表

根據(jù)現(xiàn)有公路橋梁規(guī)范，取橋墩蓋梁的支點(diǎn)處與跨中處截面為檢算控制截面，分別對(duì)加固前兩種加固方案下蓋梁的承載能力、裂縫進(jìn)行對(duì)比分析（見(jiàn)表5～表7）。橋墩蓋梁橫斷面采用鋼筋混凝土加高50 cm，截面的加高部分作為疊合截面進(jìn)行考慮，只承受部分新施工的二期恒載及部分活載的效應(yīng)。

通過(guò)對(duì)比分析可知，方案一由于加大拱肋截面，增載效果明顯，原橋墩蓋梁內(nèi)力剪力較原結(jié)構(gòu)明顯增加，且遠(yuǎn)超過(guò)了原結(jié)構(gòu)的抗剪承載力，所以加固方案理應(yīng)顯著提高原結(jié)構(gòu)的抗剪承載能力。但是，由于橋墩蓋梁與橋墩柱子、主拱圈拱肋和拱波等構(gòu)件相互交錯(cuò)，錯(cuò)綜復(fù)雜，造成諸如外包鋼箍等有效提高抗剪能力的加固方案難以實(shí)施。

加固方案二由于換填輕質(zhì)混凝土后減載效果明顯，改造后橋墩蓋梁的承載能力、裂縫寬度、指標(biāo)比較容易控制。

4　結(jié)　論

本文結(jié)合現(xiàn)有的一聯(lián)3×50 m雙曲拱橋的現(xiàn)有病害，提出兩種加固方案，利用有限元模型模擬兩種加固方案下橋梁主要構(gòu)件的承載能力、裂縫、穩(wěn)定性等指標(biāo)。通過(guò)對(duì)比計(jì)算發(fā)現(xiàn)通過(guò)加大拱肋截面可以很好地提高拱肋的承載能力，但是同樣由于加大截面帶來(lái)的增載，導(dǎo)致橋墩蓋梁抗剪承載能力不足，主拱圈穩(wěn)定性安全系數(shù)略為不足。加固方案二通過(guò)換填輕質(zhì)混凝土，改造后橋梁各構(gòu)件的承載能力及裂縫寬度指標(biāo)比較容易控制，但此方案的施工可操作性較差，且施工風(fēng)險(xiǎn)較高。因此，現(xiàn)實(shí)中對(duì)雙曲拱橋的維修加固應(yīng)因地制宜，根據(jù)病害情況選擇合理的加固維護(hù)方案，以達(dá)到最好的效益比。

［1］毛瑞祥，徐岳.特危雙曲拱橋加固與評(píng)定新探索［J］.西安公路學(xué)院學(xué)報(bào)，1993（2）:14-18.

［2］周志祥，賀鵬，等.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（6）：118-122.

［3］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

U445.7+2

B

1009-7716（2016）07-0167-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.048

2016-02-18

申?。?985-），男，湖南衡陽(yáng)人，工學(xué)碩士，工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。