空腹式拱橋加固設(shè)計及效果評價

邱 華，張秀梅，牛 政

（1.山東省水利勘測設(shè)計院有限公司，山東 濟南 250013；2.青島市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，山東 青島 266000；3.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟南 250013）

1 工程概況

南水北調(diào)東線一期工程東平湖—濟南段輸水工程樁號41+130 處的貴平公路橋采用空腹式拱橋形式，該橋梁建成于2005 年6 月，原采用汽-20，掛-100 的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。橋長49m，橫向橋面凈空為凈-7.0+2×0.75m 的安全帶布置，橫坡為2%。橋臺基礎(chǔ)設(shè)置在弱風(fēng)化基巖面。主拱按照等截面懸鏈線板式拱設(shè)計，拱橋凈跨徑25m，矢跨比1/6，主拱圈厚700mm。在拱腳上方設(shè)置2 個凈跨徑3m、矢跨比1/6 的腹拱，腹拱圈厚300mm。臨近拱腳的腹拱采用三鉸拱。主拱圈、腹拱圈、拱座均為40#現(xiàn)澆鋼筋混凝土，腹拱橫墻為M10 漿砌粗料石，U 型橋臺和側(cè)墻均采用M10 漿砌塊石，填料全部為M5 漿砌片石。拱橋結(jié)構(gòu)外露面均通過相應(yīng)標(biāo)號細(xì)料石砌筑。拱橋兩側(cè)地勢較高，如遇下雨，雨水便順勢下泄、匯集，再加上填料排水不暢，導(dǎo)致側(cè)墻、立柱均表現(xiàn)出明顯滲水；全橋鉸縫也出現(xiàn)大范圍剝落。

2 病害情況

為全面了解該空腹式拱橋病害實際，山東廣信檢測集團于2016 年7 月受邀對該拱橋結(jié)構(gòu)展開安全檢測，并出具《貴平公路橋檢測報告》，病害情況如下。

（1）主拱圈、腹拱存在局部性網(wǎng)裂，裂縫寬度均不超出0.1mm；在0#臺和1#臺拱腳與拱橋南側(cè)相距3m 的位置分別存在1 條1.0m 長和1 條2.5m 長的縱向裂縫，縫寬最大達(dá)到0.18mm 和0.24mm，不利于結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

（2）側(cè)墻砌塊開裂的比例超過30%；以拱上填料排水不暢等原因，側(cè)墻、立柱存在嚴(yán)重滲水現(xiàn)象；全橋鉸縫大面積剝落。

（3）橋面鋪裝大范圍磨光、脫皮、露骨；坑洞普遍存在，且深度最大達(dá)3cm；鋪裝層還表現(xiàn)出大量橫向裂縫和網(wǎng)狀裂縫。兩側(cè)護(hù)欄砌塊破損，人行道板砌塊多處開裂殘缺。

經(jīng)檢測評定，貴平公路橋技術(shù)狀況為3 類橋；橋梁建造所使用材質(zhì)各單項指標(biāo)均滿足設(shè)計；現(xiàn)狀承載力達(dá)不到原設(shè)計要求。為此，公路管理部門決定，在盡量減少對原有結(jié)構(gòu)損傷并充分利用原構(gòu)件，確保原結(jié)構(gòu)安全性與耐久性的基礎(chǔ)上對該空腹式拱橋展開維修加固，以提升結(jié)構(gòu)性能、承載力及耐久性，使其達(dá)到汽-20，掛-100 的原設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)。

3 加固設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

在保持原結(jié)構(gòu)受力體系不變的基礎(chǔ)上，維修補強主拱圈和腹拱受力體系存在的裂縫及缺陷，避免受力材料繼續(xù)劣化，提升結(jié)構(gòu)受力的耐久性和整體性；采取相應(yīng)加固措施提升損傷構(gòu)件承載力。為改善主拱受力性能和功能，此次維修在加固主拱圈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將拱圈以上部分拆除重建。為保證橋面排水，在拱橋與兩側(cè)道路連接處設(shè)置0.5%單向縱坡，順橋向恢復(fù)橋頭兩側(cè)引道，左右岸恢復(fù)長度分別為30m 和63m，引路兩側(cè)設(shè)置M10 漿砌石擋土墻；沿堤頂順堤向按4%的縱坡與堤頂?shù)缆废噙B，引路兩側(cè)設(shè)置M10 漿砌石擋土墻。依次將左岸和右岸橋臺處橋面抬高0.824m 和0.584m。拆除橋面鋪裝層和人行道系，進(jìn)行鋪裝層混凝土重新澆筑和新人行道系安裝。新建橋面泄水管和標(biāo)準(zhǔn)伸縮縫；新建實腹段和腹拱防水層，疏通堵塞泄水管。在腹拱下緣增設(shè)C40 無收縮自密實混凝土套拱加固，蓋梁則通過粘貼側(cè)鋼板的方式進(jìn)行加固。

3.2 設(shè)計方案

為達(dá)到提升橋梁結(jié)構(gòu)通行荷載等級及結(jié)構(gòu)承載力，治理既有病害的目的，依據(jù)病害檢測結(jié)果及相關(guān)規(guī)范提出維修加固設(shè)計方案。

3.2.1 裂縫處理

原拱橋腹拱圈砌體砌縫不飽滿，且空隙率較大，須對砌縫重新壓漿；為保證腹拱圈整理受力，須通過灌漿機對腹拱圈實施高壓灌漿；在加固拱圈前，對既有裂縫和缺陷進(jìn)行處治，對于寬度不超出0.15mm 的裂縫通過改性環(huán)氧樹脂膠泥封閉，而寬度在0.15mm 以上的裂縫必須采用畢可法高壓壓注化學(xué)膠液[1]。裂縫修補膠及修補裂縫所采用的混凝土柔性修補注漿料性能必須滿足《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG/T J22—2008）相關(guān)規(guī)定。裂縫處理完成后，還應(yīng)在每道裂縫表面均勻涂刷一層混凝土深層滲透防水密封劑，以保證封閉效果。

3.2.2 主拱圈加固

根據(jù)主拱圈結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，拱腳、拱頂負(fù)彎矩承載力不足，拱腳、L/4 跨、3L/8 跨、L/2 跨正彎矩承載力不足。采用拱背增大截面法加固以解決拱腳負(fù)彎矩承載力不足問題；為解決拱腳正彎矩承載力不足，如果采用碳纖維加固或粘貼鋼板，則拱腳處碳纖維和鋼板錨固長度不夠，故在拱腳至第二根橫系梁處采用箱型斷面加固；對于其余截面負(fù)彎矩承載力不足的問題，采用拱背增大截面加固技術(shù)。主拱圈拱背采用增大截面法加固，本質(zhì)上使拱圈橫向聯(lián)系增強，故無需再加固原橫系梁[2]，僅通過M10 水泥砂漿掛網(wǎng)抹灰即可。

3.2.3 頂升設(shè)計

該空腹式拱橋左岸和右岸橋臺處橋面抬高主要通過頂升完成，頂升過程中必須保證全部電動同步千斤頂速度、出缸量和梁板抬升高度的一致性，避免出現(xiàn)局部受力過大情況，保持橋梁上部結(jié)構(gòu)原受力狀態(tài)基本不變。

（1）頂升設(shè)備

頂升設(shè)備由同步千斤頂、電動油泵站、分流閥和連接管組成，千斤頂外形呈圓形，根據(jù)橋梁實際選定頂升能力、直徑和缸體高度，該橋梁選用缸體高度86mm，缸體內(nèi)外徑分別為φ140mm、φ190mm，最大行程16mm，最大頂升能力1000kN 的以高壓泵為動力源的超薄型千斤頂。超高壓電動油泵站高低壓流量分別為4L/min 和10L/min，最大工作壓力65MPa，電機功率6.5kW，1 個油泵站可為15 個千斤頂同步頂升提供動力。油泵站通過高壓管連接分流閥，確保油泵站所產(chǎn)生的壓力經(jīng)過分流閥后成功傳遞至千斤頂，根據(jù)墩臺實際高度確定高壓管長度，通?？刂圃诙张_高度的1.5～1.7 倍。

在該拱橋斷交施工情況下先確定出包括橋面鋪裝、防撞護(hù)欄、防震錨栓等在內(nèi)的單幅橋梁上部總重，據(jù)此確定千斤頂數(shù)量和最大頂升力?？紤]上述因素后的該空腹式拱橋單幅總重232t，在選用1000kN 千斤頂且施工安全系數(shù)取2.0 的情況下至少需要配置6 個千斤頂，為保證原橋受力狀態(tài)不變，最終配置64 個1000kN 千斤頂。為保證頂升任務(wù)順利完成，必須合理確定千斤頂數(shù)量和整體頂升力，并考慮到高壓管噴裂、千斤頂故障等可能出現(xiàn)的情況，設(shè)置安全系數(shù)，在千斤頂理論用量的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加數(shù)量，避免安全事故發(fā)生。

為保證拱橋原受力狀態(tài)不變，避免因受力狀態(tài)改變而引發(fā)裂縫等病害，必須加強千斤頂設(shè)置位置控制。原拱橋梁板和蓋梁間存在10～12cm 空隙，將超薄型千斤頂直接設(shè)置于蓋梁上，不用再施作臨時支架；并在原支座旁放置千斤頂，既不會改變橋梁受力狀態(tài)，又便于支座安裝和取出。

（2）頂升工序

搭建腳手架或工作平臺，安放千斤頂，并在千斤頂上方增設(shè)長250mm、寬250mm、高20mm 鋼板，并采用合適厚度的鋼板填塞縫隙，保證千斤頂和梁板底部緊密貼合。待全部千斤頂就位后開始試頂升，加壓至10MPa 時停止，持荷10min 后回油卸載；再次檢查千斤頂和梁板底部是否存在間隙，如果存在，必須通過三角墊鐵或薄鋼板填塞；同時檢查千斤頂回位、高壓管連接處是否漏油、設(shè)備是否存在異常。

3.2.4 其余結(jié)構(gòu)設(shè)計

在主拱頂、腹拱頂及拱上側(cè)墻內(nèi)側(cè)以全斷面形式增設(shè)混凝土深層滲透型防水密封劑防水層。同時在腹拱腳側(cè)墻埋設(shè)φ50mmPVC 排水管，管材外按照300g/m2用量裹覆土工布，管底傾斜度控制在5%以內(nèi)。

橋面鋪裝采用300mm 厚的C50 防水混凝土結(jié)構(gòu)，拱頂側(cè)墻內(nèi)填筑輕質(zhì)泡沫混凝土，橋臺側(cè)墻內(nèi)回填200mm 厚的5%水泥穩(wěn)定粒料和C20 片石混凝土。橋面雙向均設(shè)置1.5%橫坡，順橋向按照4m 間隔鋪設(shè)110×5×1050mm 的PVC 排水管。

4 加固效果評價

4.1 加固后結(jié)構(gòu)復(fù)核

應(yīng)用MIDAS/Civil 有限元軟件展開該空腹式拱橋維修加固后結(jié)構(gòu)復(fù)核，有限元模型見圖1。經(jīng)比較，原汽-20 的設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）中公路-Ⅱ級荷載[3]。為保證規(guī)范，分析軟件和該橋梁使用狀況的匹配，結(jié)構(gòu)復(fù)核驗算過程中主要采用《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）中公路-Ⅱ級荷載。以施工階段拱腳采用鉸接形式、運營階段拱腳采用固結(jié)形式為邊界條件。

圖1 拱橋結(jié)構(gòu)復(fù)核計算模型

4.2 受力狀態(tài)檢測

為掌握加固方案實施后該空腹式拱橋?qū)嶋H受力狀態(tài)，須判斷橋梁加固后實際承載能力。在該橋梁加固完成后，由工程所在省交通工程質(zhì)量檢測中心進(jìn)行與加固前相同試驗荷載作用下橋梁承力構(gòu)件主拱肋在控制截面處的剛度、強度等測試及裂縫發(fā)展情況檢查。結(jié)合橋梁實際及河床地形，選擇第1 孔邊跨展開靜力荷載試驗，采用兩輛30t 重型車輛加載，在等效荷載原則下，將所計算出的等代荷載內(nèi)力值與活載作用下的理論內(nèi)力值進(jìn)行對比。

靜力荷載試驗的內(nèi)容包括拱頂截面各片肋底鋼筋應(yīng)變、撓度，拱腳截面各片肋底混凝土應(yīng)變及拱腳水平位移，裂縫閉合程度等。跨中截面測點撓度及控制截面測點應(yīng)力檢測結(jié)果詳見表1和表2。

表1 跨中截面測點撓度檢測結(jié)果

表2 控制截面測點應(yīng)力結(jié)果

根據(jù)以上測試結(jié)果，撓度和應(yīng)變校驗系數(shù)均值分別為0.929和0.79，取值均小于1.0；試驗荷載作用下L/2 截面實測撓度最大值為1.07mm，小于1.18mm 的理論撓度值和L/800 的最大限值，卸載后殘余撓度值最大為0.02mm，對應(yīng)的相對殘余撓度為1.8%，遠(yuǎn)比規(guī)范所規(guī)定的20%限值小。

5 結(jié)語

綜上所述，該空腹式拱橋采用本文所提出的加固維修方案后，行車時的動力響應(yīng)明顯減弱，橋梁結(jié)構(gòu)動剛度、整體性和穩(wěn)定性明顯加強，承載力大大提升，達(dá)到了現(xiàn)行規(guī)范中公路-Ⅱ級荷載標(biāo)準(zhǔn)。該橋梁加固維修施工于2021 年7 月完成，經(jīng)過近1 年的監(jiān)測和觀察，并無新的裂縫等病害出現(xiàn)，既有裂縫也基本閉合，再次證明所采取的加固工藝切實可行，也為同類型橋梁結(jié)構(gòu)加固維修提供了經(jīng)驗借鑒。