既有石拱橋的加固技術(shù)研究
2015-06-23
隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路交通量也不斷快速增長(zhǎng)。橋梁作為公路的重要組成部分，其承載力也因此面臨著日益增大的荷載的挑戰(zhàn)。隨著橋梁結(jié)構(gòu)的不斷破損、老化，這種矛盾也日益顯現(xiàn)并逐漸加劇，各種橋梁結(jié)構(gòu)病害也隨之而來(lái)。尤其是那些結(jié)構(gòu)存在問(wèn)題、設(shè)計(jì)理論不成熟以及施工經(jīng)驗(yàn)不足的橋梁?jiǎn)栴}更為突出。
石拱橋由于其節(jié)省材料、受力合理以及外形優(yōu)美的特點(diǎn)，在二十世紀(jì)七八十年代的公路建設(shè)中得到了大量采用。但是隨著時(shí)間的推移，許多舊石拱橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，施工質(zhì)量差，隨著交通量不斷增長(zhǎng)，重型車大量增加，超載、超限運(yùn)輸嚴(yán)重，這些橋梁漸漸出現(xiàn)了拱圈、橋臺(tái)開裂等各種嚴(yán)重病害，給橋梁的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)隱患。目前，很多石拱橋已成為危橋，對(duì)車輛的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。因此，對(duì)石拱橋的維修加固展開研究工作具有十分重要的實(shí)際意義。
1 工程概況及主要病害
該石拱橋竣工于二十世紀(jì)九十年代初。該橋上部結(jié)構(gòu)型式為4×22 m的石拱橋；下部結(jié)構(gòu)為漿砌片石墩臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)；橋面鋪裝采用水泥混凝土，無(wú)伸縮縫。橋面橫向布置為1.25 m（人行道）+9.0 m（機(jī)動(dòng)車道）+1.25 m（人行道）。凈矢高：fn=3.273 m；凈矢跨比：fn/ln=1/6.24；拱軸線：懸鏈線，m=2.117528；主拱圈寬度：b=6.5 m；主拱圈厚度：d=0.65 m；腹拱圈寬度：b1=6.5 m；腹拱圈厚度：d1=0.35 m；主拱圈及腹拱圈均采用M7.5砂漿砌MU30號(hào)片石該橋總體布置情況如圖1所示。
通過(guò)對(duì)橋梁進(jìn)行外觀檢查，橋梁病害主要存在以下幾個(gè)方面：①幾乎所有腹拱圈出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，裂縫超限；②主拱圈出現(xiàn)橫向裂縫；③拱腳、拱腰滲水結(jié)晶；④橋面及搭板裂縫修補(bǔ)厚重新開裂；⑤人行道板表面砂漿已經(jīng)破壞，欄桿破損嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為立柱混凝土剝落、露筋、傾斜，欄桿多處構(gòu)件缺損、整榀欄桿外傾等。
2 既有石拱橋結(jié)構(gòu)檢算
該橋竣工于二十世紀(jì)九十年代初，為跨徑4×22 m的聯(lián)拱橋，鑒于該橋的結(jié)構(gòu)特性，在檢算過(guò)程中，第一步依據(jù)《公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 022-85）進(jìn)行抗推剛度計(jì)算，第二步依據(jù)外觀檢查結(jié)果確定檢算系數(shù)，第三步是按照《公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 022-85）進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算。
考慮到該橋結(jié)構(gòu)為矩形板拱，橫橋向沒(méi)有偏心，結(jié)構(gòu)檢算時(shí)取單位拱寬來(lái)進(jìn)行建模計(jì)算，恒載和活載按均攤于拱圈寬度來(lái)進(jìn)行計(jì)算，抗推剛度計(jì)算結(jié)果如表1所示。
由表1可知，該橋主墩和主拱圈的抗推剛度之比為48.73，大于37，故該橋按照單孔進(jìn)行計(jì)算。而根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》，并結(jié)合外觀檢查結(jié)果，綜合確定本橋檢算系數(shù)為0.95。
該橋單孔跨徑組合為22 m，采用空間計(jì)算程序Midas2010對(duì)全橋進(jìn)行模擬。主拱圈和腹拱圈采用空間梁?jiǎn)卧M，橋面板采用虛擬梁?jiǎn)卧M，橋面板與主拱圈之間的連接采用彈性連接進(jìn)行模擬。全橋共98個(gè)節(jié)點(diǎn)，90個(gè)單元，全橋結(jié)構(gòu)離散如圖2所示。
根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG 021-89）及《公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 022-85），結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果如表2及表3所示。
計(jì)算結(jié)果表明，由于超重車輛和溫降等，無(wú)論是拱腳截面還是拱頂截面最大彎矩工況對(duì)應(yīng)的軸力計(jì)算值均超過(guò)極限抗力值，不滿足規(guī)范要求。而通過(guò)應(yīng)力檢算，拱橋上緣最大拉應(yīng)力為0.84 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為4.55 MPa，均超過(guò)規(guī)范限制，是產(chǎn)生裂紋的主要原因。
3 維修加固方案確定
橋梁維修加固方法和技術(shù)很多，但不外乎是從提高結(jié)構(gòu)自身抗力和減輕結(jié)構(gòu)恒載兩個(gè)角度對(duì)橋梁進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，常用的加固方法包括：粘貼碳纖維布加固、粘鋼（板）法加固、外包混凝土加固、錨噴混凝土加固等。
由于該橋的拱腳裂紋較多，結(jié)構(gòu)抗力不滿足要求。根據(jù)對(duì)加固方法的比選，采用復(fù)合主拱圈加固技術(shù)：原主拱圈拱腹增設(shè)鋼筋混凝土拱板形成復(fù)合主拱圈，通過(guò)復(fù)合主拱圈的協(xié)調(diào)變形和共同作用來(lái)承擔(dān)后期荷載，增大主拱圈強(qiáng)度和剛度，提高橋梁承載能力。
具體施工工序包括：①原主拱圈拱腹增設(shè)鋼筋混凝土肋拱加固；②橋臺(tái)前墻設(shè)鋼筋混凝土板加固，同時(shí)作為新增鋼筋混凝土拱圈的拱座；③采用密封膠封閉腹拱圈縱向裂縫；④重新修補(bǔ)橋面鋪裝裂縫；⑤修復(fù)破損人行道；⑥疏通泄水孔，確保橋面排水系統(tǒng)功能良好；⑦墩臺(tái)前墻采用鋼筋混凝土板（厚25 cm）加固，高度方向延伸到基礎(chǔ)頂。
其中，主拱圈拱腹增設(shè)鋼筋混凝土肋拱加固的具體措施：在原橋主拱圈底部現(xiàn)澆4道高45 cm，寬100 cm的C30鋼筋混凝土肋拱，及5道高45 cm，寬50 cm的C30鋼筋混凝土橫系梁；靠拱腳一個(gè)腹拱處的主拱圈背面現(xiàn)澆15 cm厚C30鋼筋混凝土，以提高主拱圈拱腳處抵抗負(fù)彎矩的能力，對(duì)腹拱圈裂縫采用密封膠進(jìn)行封縫。施工中應(yīng)注意的是，為了使新加拱圈與老拱圈更好的連接成為一個(gè)整體，需要在老拱圈表面鑿毛，如發(fā)現(xiàn)拱圈實(shí)際狀況與方案不符，應(yīng)及時(shí)調(diào)整，主拱圈加固立面及平面圖分別如圖3、圖4所示。 4 橋梁維修加固效果的評(píng)估
根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T J22-2008），按下列兩個(gè)階段進(jìn)行加固計(jì)算：
第一階段：澆混凝土層達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值之前，按照老拱圈截面計(jì)算，荷載考慮原橋自重在內(nèi)的恒載、現(xiàn)澆混凝土層自重及施工荷載。
第二階段：澆混凝土層達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值后，拱圈按照加固后整體截面進(jìn)行計(jì)算，作用（荷載）考慮包括加固后拱圈自重在內(nèi)的恒載、二期恒載及使用階段的可變作用。加固后拱腳及拱頂截面最大彎矩工況極限承載能力計(jì)算結(jié)果如表4及表5所示。
計(jì)算結(jié)果表明，無(wú)論是拱腳斷面還是拱頂斷面，承載能力均有大幅度提高，滿足規(guī)范要求。與此同時(shí)，在汽車-20級(jí)及掛車-100作用下?lián)隙扔?jì)算結(jié)果如表6所示。
由表6可知，原拱圈在汽車荷載作用下，靜活載撓度值接近規(guī)范限值，加固后靜活載撓度明顯降低，滿足規(guī)范要求。
5 結(jié) 論
石拱橋的加固改造是舊橋、危橋改造的一項(xiàng)重要內(nèi)容，而橋梁的加固改造對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)壽命有著顯著的影響。理想的加固改造技術(shù)應(yīng)該是盡少地改變橋梁結(jié)構(gòu)原貌及附屬設(shè)備；盡少地阻礙交通；提供足夠的承載能力，且具備應(yīng)有的耐久性及經(jīng)濟(jì)性。
對(duì)本橋而言，通過(guò)對(duì)比加固前后該橋的承載能力、靜活載撓度值等各項(xiàng)指標(biāo)。采用復(fù)合主拱圈加固技術(shù)達(dá)到了增加拱圈剛度、強(qiáng)度，提高橋梁承載力、防水蝕、抗風(fēng)化的目的。于此同時(shí)復(fù)合主拱圈加固施工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低，工期短，不影響交通，不污染環(huán)境，能夠有效提高舊橋承載力，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可供類似橋梁加固提供借鑒。
