某剛架拱橋的加固方案及效果分析

黃慶祥

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

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某剛架拱橋的加固方案及效果分析

黃慶祥

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

基于剛架拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳力機(jī)理，在分析某剛架拱橋典型病害的基礎(chǔ)上，針對其橫向聯(lián)系薄弱、提載潛力小等問題，提出采用增大截面法對邊拱肋進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)、增設(shè)橫向聯(lián)系并輔以預(yù)應(yīng)力技術(shù)加強(qiáng)橋梁橫向聯(lián)結(jié)的診治方案，提高整體剛度。實(shí)橋荷載試驗(yàn)表明，該方案加固效果良好。為今后同類在役橋梁的維修加固設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

剛架拱橋；增大截面；預(yù)應(yīng)力技術(shù)；維修加固

剛架拱橋是結(jié)合桁架拱、雙曲拱、斜腿剛構(gòu)等橋型演變而來的結(jié)構(gòu)，屬于高次超靜定的空間受力承載體系，具有構(gòu)件少、易施工、造型優(yōu)美、經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)，在我國20世紀(jì)八九十年代被廣泛應(yīng)用[1-4]。然而，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，結(jié)構(gòu)本身提載潛力小[5]，伴隨重型車輛迅猛增加，大量在役剛架拱橋經(jīng)過多年運(yùn)營后均產(chǎn)生了不同程度的損壞。

本文在剖析某在役剛架拱橋病害的基礎(chǔ)上，提出增大邊拱肋截面、新增橫向聯(lián)系并輔以預(yù)應(yīng)力技術(shù)的處治方案，旨在為今后同類型橋梁的維修加固設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 橋梁概況

某橋全長535 m, 橋面凈寬12 m(行車道)+2× 2 m(人行道)。上部結(jié)構(gòu)為12×40 m剛架拱橋，矢跨比為1/10，橫向設(shè)置5片拱肋。下部結(jié)構(gòu)為混凝土實(shí)體式墩，橋臺為重力式U型橋臺，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)汽車荷載為汽-20級，掛-100級；人群荷載為350 kg/m2。橋梁總體立面圖如圖1所示。

2 典型病害及其因素分析

2.1 典型病害

邊拱肋跨中出現(xiàn)下沉跡象；全橋橫向聯(lián)系存在嚴(yán)重的混凝土脫落、露筋和鋼筋銹蝕等現(xiàn)象；部分微彎板底部混凝土剝落、鋼筋外露且伴有銹蝕；橋面鋪裝局部出現(xiàn)橫向裂縫、破損等。靜動載試驗(yàn)表明，橋梁實(shí)測應(yīng)變和撓度值均大于理論計(jì)算值，橋梁整體剛度偏小。

2.2 原因分析

2.2.1 設(shè)計(jì)因素

鑒于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)理念及追求經(jīng)濟(jì)效益的考慮，剛架拱橋普遍采用小尺寸構(gòu)件、低配筋率，造成橋梁超載潛力小、結(jié)構(gòu)安全性儲備不足。此外，各拱肋僅通過橫向聯(lián)系連接，一旦橋梁處于損傷狀態(tài)，易導(dǎo)致拱肋橫向剛度不足，使得各拱肋貢獻(xiàn)不協(xié)調(diào)，甚至出現(xiàn)“單拱肋受力”現(xiàn)象。

2.2.2 施工因素

該剛架拱橋采用“工廠預(yù)制，現(xiàn)場拼裝”的施工工法，構(gòu)件的整合對施工精度提出了較高的要求。檢測過程中發(fā)現(xiàn)在大、小節(jié)點(diǎn)及拱肋跨中濕接頭接合處，均存在豎向或環(huán)向裂縫，這可能是焊接質(zhì)量和后澆帶施工質(zhì)量控制不嚴(yán)格導(dǎo)致。

2.2.3 運(yùn)營因素

原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較低[6]，與現(xiàn)今迅猛增加的交通量不匹配，且該橋?yàn)楫?dāng)?shù)刂饕涍\(yùn)車道，大車、重車多，超載現(xiàn)象頻繁，使得橋梁更加容易受損。

3 加固方案

3.1 總體加固思路

針對剛架拱橋結(jié)構(gòu)的傳力特點(diǎn)，本次加固以提高橋梁縱橫向剛度為主線，兼顧橋梁耐久性問題。加固著重提高關(guān)鍵構(gòu)件的承載力，同時(shí)增加橋梁的橫向聯(lián)系以提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體性，從而提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體承載力。加固方案總體布置如圖2所示。

3.2 加固措施

3.2.1 拱肋的加固

計(jì)算結(jié)果表明，在移動荷載作用下，邊拱肋受力較其他拱肋大，存在較多徑向裂縫，因此著重于邊拱肋的強(qiáng)度加固?；谠龃蠼孛娣ㄍ獍炷?5 cm并配合植筋技術(shù)加固兩側(cè)邊拱肋。實(shí)腹段在拱肋底面和側(cè)面增大截面形成馬蹄形加固，拱腿、斜撐四面現(xiàn)澆混凝土。施工前需對原拱肋線形進(jìn)行復(fù)測，復(fù)測成果是底膜板標(biāo)高放樣的重要依據(jù)。

3.2.2 橫系梁加固

基于“剛性橫梁法原理”，在原有橫系梁旁新增橫向聯(lián)系，與原橋橫系梁、拱肋共同受力，加固示意圖如圖3所示。新增橫系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的形式。預(yù)應(yīng)力穿孔尺寸應(yīng)嚴(yán)格設(shè)計(jì)，避免對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大擾動。預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力約為其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的20%，預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)在橫梁加固前進(jìn)行，上下2根鋼筋同時(shí)進(jìn)行張拉，必要時(shí)可以在肋間設(shè)置型鋼以支撐。預(yù)應(yīng)力穿孔及張拉必須逐個(gè)斷面進(jìn)行，即完成一個(gè)斷面上下緣的預(yù)應(yīng)力束施工后，再進(jìn)行下一個(gè)斷面的預(yù)應(yīng)力施工，待整孔的預(yù)應(yīng)力鋼筋全部施工完成后，再進(jìn)行橫向聯(lián)系的施工，施工加載程序需按照均衡對稱加載的總原則進(jìn)行。

3.2.3 橋面系改造

拆除原橋面系，包括橋面鋪裝、人行道和欄桿等。在拆除過程中不得損害原橋微彎板及拱肋。待實(shí)腹段、拱腿和斜撐加固及橫系梁加固混凝土澆筑完成后，重新鋪設(shè)防水層，進(jìn)行橋面鋪裝、欄桿安裝，以改善行車條件。

3.2.4 其他構(gòu)件的維修養(yǎng)護(hù)

對于寬度小于0.15 mm的裂縫，直接封閉裂縫處理；對于寬度大于0.15 mm的裂縫進(jìn)行灌漿處理?；炷帘砻嫒毕莶捎镁酆衔锷皾{進(jìn)行修補(bǔ)。

4 荷載試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本加固方案的實(shí)施效果，進(jìn)行了橋梁動載試驗(yàn)。全橋共設(shè)8個(gè)控制截面，即跨中、8#抗推墩、11#墩墩頂截面，控制截面如圖4所示，分10 個(gè)荷載工況分別進(jìn)行加載試驗(yàn)。全橋共設(shè)12個(gè)豎向振動測點(diǎn)(不含激勵(lì)拾振器)，分別布置在每跨的跨中及L/4、3L/4截面處，以對橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)和結(jié)構(gòu)振型進(jìn)行測算。

主要控制截面最大撓度及殘余變形結(jié)果見表1，部分裂縫監(jiān)測結(jié)果見表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明：①各工況下實(shí)測控制截面豎向位移與理論值的比值均小于1.0，豎向剛度滿足設(shè)計(jì)和使用要求；②各工況下，卸載后結(jié)構(gòu)的殘余變形較小，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)；③實(shí)測一階頻率為4.64 Hz，高于理論計(jì)算值3.65 Hz，加固后實(shí)橋結(jié)構(gòu)的整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 主要控制截面最大撓度及殘余變形結(jié)果

表2 部分裂縫監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)束語

本文從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營三方面分析了某剛架拱的病害產(chǎn)生機(jī)理。采用邊拱肋增大截面，增設(shè)橫梁并施加預(yù)應(yīng)力等方案可以顯著提升橋梁縱、橫向剛度，并通過荷載試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。該方案可推廣到類似橋梁病害的維修加固設(shè)計(jì)中。

[1] 婁有原.剛架拱橋的發(fā)展與推廣[J].公路交通科技,1989,6(4):33-38.

[2] 姜秀娟,武俊彥,盧偉,等.剛架拱橋加固效果淺析[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2014(1)：43-45.

[3] 周新平,宗雪梅.剛架拱橋荷載橫向分布系數(shù)研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2007,28(2):101-104.

[4] 張凱,李宇,周燕.剛架拱橋力學(xué)性能分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2008,29(4)：106-110.

[5] 李曉鳴,曹人清,何聰.剛架拱危橋加固提載設(shè)計(jì)[J].公路,2016(11):136-140.

[6] 中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JTJ D60-2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2015.

(責(zé)任編輯 吳鴻霞)

Reinforcement Scheme and Effect Analysis of a Rigid Frame Aarch Bridge

HuangQingxiang

(Shanxi Transportation Research Institute,Taiyuan Shanxi 030006)

Based on the structural characteristics and force transfer mechanism of rigid frame arch bridge and the analysis of the typical disease of a rigid frame arch bridge,a reinforcement acheme including reinforcing the side arch rib t,adding lateral contact with prestressed technology to strengthen the treatment of bridge transverse connection and improving the overall stiffness by enlarging section method has been put forward to solve the problems of weak horizontal linkages and increasing load potential.The results show that the reinforcement effect is good,which provides reference for the maintenance and reinforcement design of similar bridges in service in the future.

rigid frame arch bridge;enlarged section;prestress technology;maintenance and reinforcement

2017-01-09

黃慶祥，工程師，本科。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.03.013

U445.7+2

A

2095-4565(2017)03-0056-03