雙曲拱橋維修加固方案研究及工程應(yīng)用

■陳偉卿

(福建路發(fā)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，泉州 362000)

雙曲拱橋是我國20世紀(jì)60、70年代常用的一種橋梁形式，在當(dāng)時(shí)機(jī)具設(shè)備十分有限及鋼筋混凝土材料匱乏的條件下，橋梁主體結(jié)構(gòu)采用化整為零的方式修建，以較低的建造成本實(shí)現(xiàn)了交通條件的較大提升。但該類型結(jié)構(gòu)整體性差，存在設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低、鋼筋用量少的缺點(diǎn)，隨著交通量增加以及車輛載重的增大，絕大多數(shù)在役的雙曲拱橋都出現(xiàn)不同程度的病害[1]。有些地區(qū)對雙曲拱橋進(jìn)行大面積拆除重建，雖然可以根本解決橋梁缺陷，但所需投資極大。國內(nèi)多年橋梁維修改造數(shù)據(jù)表明，一般中小跨徑橋梁的加固費(fèi)用約為新建橋梁費(fèi)用的10%～20%，其中雙曲拱橋的加固費(fèi)用約為新建橋梁費(fèi)用的20%～30%[2]。因此，加速我國舊橋維修加固技術(shù)的研究及工程應(yīng)用，不僅能夠更好地為現(xiàn)代交通服務(wù)，而且也能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。國內(nèi)外學(xué)者對雙曲拱橋維修加固方法進(jìn)行了理論研究及工程實(shí)踐。目前對橋梁加固的方法主要有增大截面法[3][4]、粘貼鋼板法[5]、增加輔助構(gòu)件法[6]、體外預(yù)應(yīng)力法[5]、頂推法[7]等。 周志祥[8]針對大跨度雙曲拱橋的病害特點(diǎn)，探索了同時(shí)采用增大主拱圈截面、增加橫向聯(lián)系和改變拱上建筑結(jié)構(gòu)體系三種措施進(jìn)行加固，成功運(yùn)用于重慶市巫溪縣110m跨的大寧河大橋上，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 橋梁維修加固設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)計(jì)方法

1.1 維修加固設(shè)計(jì)目標(biāo)

維修加固的目標(biāo)是確保橋梁能夠安全、正常的運(yùn)營。對于結(jié)構(gòu)承載力可以滿足設(shè)計(jì)荷載等級要求的橋梁，主要是提高橋梁的耐久性和恢復(fù)良好的使用功能；對于結(jié)構(gòu)承載力不滿足設(shè)計(jì)荷載等級的橋梁，需按一定的要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固以提高結(jié)構(gòu)承載力，達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)荷載的要求。

1.2 維修加固設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行加固設(shè)計(jì)方案比選時(shí)，需根據(jù)橋梁檢測報(bào)告，對不同加固設(shè)計(jì)方案中的結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為進(jìn)行對比仿真分析，預(yù)知加固行為影響及預(yù)期加固效果。針對橋梁病害總體情況及分析結(jié)果，確定以下總體維修加固原則：

（1）目的性原則。加固設(shè)計(jì)方案應(yīng)針對不同橋型、不同病害對癥下藥，標(biāo)本兼治。

（2）安全性原則。既要考慮各種病害導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力的降低，也要考慮加固措施及其施工過程對結(jié)構(gòu)承載力的不利影響，特別注意應(yīng)將對原結(jié)構(gòu)的損傷減至最低程度。

（3）方便施工原則。加固方案的制訂要充分考慮到當(dāng)?shù)厥┕l件和難度，方便施工。同時(shí)積極吸收、利用新技術(shù)、新材料和成熟經(jīng)驗(yàn)；對加固處治后的結(jié)構(gòu)要充分重視可檢查性和可維護(hù)性。

（4）經(jīng)濟(jì)性原則。加固措施在滿足功能要求的前提下，應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)性，避免不必要的浪費(fèi)。

（5）動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)原則。舊橋加固有別于新橋建設(shè)，適用邊施工、邊測試、邊調(diào)整的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。施工過程中不斷完善施工工藝，并根據(jù)測試結(jié)果及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)。

1.3 維修加固總體設(shè)計(jì)方案比選

如前所述，對原橋進(jìn)行維修加固改造或拆除重建，兩種方案具有一定的可比性。主要考慮兩點(diǎn)：一是對橋梁適應(yīng)性進(jìn)行分析，如所處路線超載車輛多或?qū)捖氛瓨虻冗m應(yīng)性不足，宜首選拆除重建；二是對橋梁維修加固改造方式進(jìn)行比選，如技術(shù)比選、造價(jià)比選等。技術(shù)比選主要關(guān)注原設(shè)計(jì)荷載等級是否滿足現(xiàn)有交通需求，以此進(jìn)行加固改造提高載荷標(biāo)準(zhǔn)與上部結(jié)構(gòu)拆除重建或全橋拆除重建進(jìn)行方案比較。兩種方案比選優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 橋梁總體設(shè)計(jì)方案比選表

從表1可以看出，橋梁維修加固改造方案比原橋拆除重建方案建安費(fèi)節(jié)省很多，且存在工期短、加固效果可控等優(yōu)點(diǎn)。在原橋主體結(jié)構(gòu)良好的情況下應(yīng)優(yōu)先考慮維修加固。

2 橋梁維修加固應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

車圩橋位于福建省漳州市云霄縣下河鄉(xiāng)，上跨車圩溪。橋梁始建于1976年，結(jié)構(gòu)形式為單跨上承式無鉸雙曲拱橋，全橋長48m，凈跨徑為29.0m，矢高3.38m。上部結(jié)構(gòu)由三肋兩波組成，主拱肋為50cm×32cm截面的漿砌塊石，拱波材料為漿砌塊石。橋臺為U型重力式橋臺。跨中斷面如圖1所示。

圖1 車圩橋跨中斷面圖

經(jīng)現(xiàn)場勘查，主拱圈跨中部分下塌，略呈M型變形，拱頂最大下?lián)线_(dá)3.5cm；主拱圈勾縫砂漿脫落13處，總面積占比約21%；拱肋間的橫向聯(lián)系薄弱，橋梁的整體工作性能差。通過檢測結(jié)果及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）判定，該橋不滿足汽-15級的正常使用極限狀態(tài)要求，但作為拱橋承重結(jié)構(gòu)的主拱圈基本處于正常狀態(tài)，可采取維修加固措施以提高結(jié)構(gòu)性能，節(jié)約重新建造成本。

2.2 主體結(jié)構(gòu)加固方案比選

結(jié)合橋梁特點(diǎn)，擬采用增大截面法和粘貼鋼板兩種加固方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此主要對此兩種加固方式進(jìn)行方案比選，如表2所示。

表2 主體結(jié)構(gòu)加固方案比選表

經(jīng)綜合比選，采用增大截面法對主拱肋及橫系梁進(jìn)行加固。

2.3 主體結(jié)構(gòu)加固方案

由于原橋主拱圈各截面應(yīng)力水平普遍偏高，設(shè)計(jì)提出將改變拱上建筑結(jié)構(gòu)體系和局部加大主拱圈截面相結(jié)合的方法來進(jìn)行加固。主要思路是減輕拱上建筑重量、增大拱頂區(qū)段主拱圈截面積，確保主拱圈工作的整體性能。

加固后的結(jié)構(gòu)形式如圖2，圖中陰影填充部分為加固后新增結(jié)構(gòu)部分。具體采取的加固措施有：

（1）減輕拱上建筑重量：不改變原橋拱上結(jié)構(gòu)形式，將原實(shí)腹式拱橋拱上填料清除，換填輕質(zhì)填料，達(dá)到減輕拱上建筑重量的目的。

（2）對主拱圈進(jìn)行局部加強(qiáng)：設(shè)計(jì)中對主拱肋及橫系梁采用增大截面加固方法，加固材料采用超高性能混凝土（UHPC）新型材料。在原橋石砌圬工拱肋增設(shè)適量的構(gòu)造植筋，以達(dá)到既不對原拱肋造成過多損傷、又適當(dāng)加強(qiáng)新舊材料結(jié)合的目的，確保新舊結(jié)構(gòu)共同受力。另外，對橫系梁同樣采用增大截面法進(jìn)行加固。

增大截面法常規(guī)的做法是在原拱肋或橫系梁上植筋，支立模板，綁扎鋼筋后澆筑鋼筋混凝土套拱與原拱肋形成整體。新型材料UHPC混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值一般高于120MPa，是橋梁所用傳統(tǒng)混凝土的2～4倍；UHPC混凝土能夠有效減小拱肋截面尺寸，可大幅減少混凝土結(jié)構(gòu)自重，降低自重產(chǎn)生的彎矩。同時(shí)，具有良好的粘結(jié)強(qiáng)度，可大幅減少植筋數(shù)量，有效減少對原結(jié)構(gòu)的破壞。

2.4 橋梁加固主要施工步驟

（1）橋臺破損處加設(shè)鋼筋混凝土圈梁對橋臺進(jìn)行加固；

（2）拆除上部附屬構(gòu)造及橋面板等以卸除拱肋所承受的部分上部荷載；

（3）按設(shè)計(jì)圖紙植筋，采用增大截面法施工新拱座；

（4）修復(fù)主拱肋裂縫及鋼筋露筋等病害；

（5）待新混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，按照增大截面法采用UHPC混凝土加固主拱肋及橫系梁；

（6）施工橋面系及附屬設(shè)施。

圖2 車圩橋維修加固方案

維修加固完成后檢測結(jié)果顯示，車圩橋主拱肋及橫系梁采用UHPC混凝土加固后，橋梁承載能力達(dá)到0.8倍公路-Ⅱ級荷載要求，可以滿足現(xiàn)有交通要求。

3 結(jié)論

橋梁類型存在多樣性，橋梁維修加固要根據(jù)病害成因和類別以及造成橋梁性態(tài)下降的因素靈活地采取維修加固措施。在擬定維修加固設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）通過正確認(rèn)識橋梁在不同環(huán)境下的結(jié)構(gòu)特性，準(zhǔn)確識別結(jié)構(gòu)中既有損傷，進(jìn)而較為準(zhǔn)確地定量橋梁的病害狀況，合理進(jìn)行維護(hù)決策和資源配置。

（2）橋梁加固方法較多，對不同加固設(shè)計(jì)方案中的結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為進(jìn)行對比仿真分析，預(yù)知加固行為影響及預(yù)期加固效果，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)該從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、美觀性及施工難度等方面綜合考慮。

（3）增大截面法由于施工簡便、加固效果明顯，用于橋梁結(jié)構(gòu)的加固其優(yōu)點(diǎn)突出；拱橋主體結(jié)構(gòu)以受壓為主，加固設(shè)計(jì)采用了拱上建筑減載與主拱圈段截面加強(qiáng)相結(jié)合的加固方法，明顯改善了主拱圈的受力狀態(tài)；新型材料UHPC混凝土以其極高的抗壓性能、自密實(shí)性、優(yōu)異的耐久性能而特別適用于拱橋結(jié)構(gòu)，但是其工作機(jī)理及工程應(yīng)用研究在國內(nèi)并不完善，有待進(jìn)一步深入。