水磨大橋加固方案及計算分析
2015-07-13
1 工程概況
水磨大橋位于云南省魯甸縣境內，其為龍樹至梭山公路托麻段跨越龍樹的一座橋梁，中心樁號K5+035，建于1993 年。該橋是當地交通運輸、經濟發(fā)展和兩岸居民生產生活的重要交通要道。橋梁全長68.4m，橋面全寬8.5m，橫向布置為0.75m(人行道)+7m(行車道)+0.75m(人行道)。橋梁設計荷載為汽-20，掛-100。
該橋主跨為一孔 40m 的等截面懸鏈線空腹式石拱橋，拱軸系數m=2.240，矢跨比為1/6，拱圈厚度0.9m，拱圈寬8.5m，采用10 號水泥砂漿砌50 號塊石。主拱拱座為25 號混凝土。主拱上部每邊設腹拱三孔。每孔腹拱凈寬3.0m，厚0.3m，凈矢高0.5m，腹孔墩厚0.8m，兩端邊腹孔為三鉸拱。橋面鋪裝為水泥結礫石路面，抹平層厚0.3m，橋面橫坡3%。兩側橋臺均采用明挖擴大基礎，石砌U型橋臺。為了增加泄洪能力，梭山岸橋臺增設一孔8.0m 的引橋，為圓弧線實腹式石拱橋，矢跨比為1/3，拱圈厚度0.5m，寬8.5m。采用10 號水泥砂漿砌50 號塊石。
水磨大橋建成至今已運營二十多年，現已出現了不同程度的病害。為確保橋梁的安全性、適應性和耐久性，保證橋梁結構運營安全，需對水磨大橋進行詳細的技術狀況評定，必要的話還需要對該橋進行加固。
2 水磨大橋現狀及病害分析[1-2]
2. 1拱圈滲水、局部空洞
拱圈砌縫局部有砂漿脫落和空洞現象，局部滲水泛白；腹拱局部滲水泛白，梭山岸第一個腹拱變形縫有一定程度張開；引孔多處滲水泛白。拱圈滲水的主要原因是路面破損嚴重，且橋面排水不暢，路面積水下滲到拱上填料，后通過拱圈滲出。
2.2橋面鋪裝
橋面鋪裝大面積破損、粗骨料裸露，存在多處大面積坑槽。經分析橋面鋪裝破損的主要原因是車輛荷載的作用、拱上填料不密實、溫度變化及雨水沖刷的影響。
2.3臺后填土沉降
該橋龍樹岸橋臺臺后填土存在一定的沉降，搭板局部凹陷。主要原因應是橋臺施工時填土不密實，荷載的長期作用下填土逐步壓實、沉降。此外搭板破損，路面積水下滲也導致了臺后填土的沉降。
2.4路面排水不暢
該橋橋跨范圍內護欄附近大量泥土堆積，泄水孔全部堵塞，嚴重影響了路面的排水，導致坑槽處積水。
3結構計算分析
3.1 計算參數
采用橋梁博士分析軟件對該橋進行了計算分析，計算模型的主要參數如表1所示。
表1 結構計算采用的主要參數
構件 材料 彈性模量E（MPa） 抗拉強度fcd（MPa） 抗拉強度ftd（MPa） 容重（kN/m3）
主拱 M10砂漿砌MU50塊石 7300 3.85 0.073 24
腹拱 M10砂漿砌MU40塊石 7300 3.44 0.073 24
拱上立墻 M7.5砂漿砌MU40塊石 5650 3.09 0.073 24
因該橋所處路段，偶爾有重型車輛通過，其由牽引車和掛車組成，車輛全長 18.392m，總重1030KN，因此該橋承載力計算分析時將對設計荷載和上述特殊荷載進行驗算。
3.2拱圈的面內穩(wěn)定與強度
根據各單項荷載組合結果，得出各關鍵截面的最不利控制荷載組合，正截面受壓強度驗算結果如表2 所示。
表2 水磨大橋主跨主拱圈關鍵截面強度計算結果
截面 計算工況 計算內力 正截面強度 抗剪強度
軸力（kN） 彎矩（kN*m） 剪力（kN） 偏心距離值 Nj 結論 Vj 結論
拱腳 最大彎矩 18973.5 619.6 -770.6 e<0.6s 26095.0 P 6827.1 P
最小彎矩 18485.4 -2868.0 332.4 e<0.6s 19535.5 P 6664.4 P
最大軸力 19585.9 -610.5 -578.7 e<0.6s 26131.1 P 7031.3 P
L/4 最大彎矩 16044.9 1396.0 682.7 e<0.6s 23834.1 P 5850.9 P
最小彎矩 16328.6 -437.9 535.3 e<0.6s 26227.8 P 5945.5 P
最大軸力 17030.1 269.3 721.7 e<0.6s 26409.4 P 6179.3 P
拱頂 最大彎矩 16272.4 346.8 91.9 e<0.6s 26330.1 P 5926.8 P
最小彎矩 13953.4 230.9 153.7 e<0.6s 26400.2 P 5153.7 P
最大軸力 16664.4 -543.2 -61.5 e<0.6s 26096.4 P 6057.4 P
注：表中“”表示滿足規(guī)范要求，“”表示不能滿足規(guī)范要求。
由上表可知，在最不利荷載組合下，主跨主拱圈拱腳截面在最小彎矩工況下正截面強度不能滿足規(guī)范要求。經計算分析，引孔拱圈拱腳同樣存在強度不足的問題?？梢姡鑼λゴ髽蜻M行加固以滿足受力要求。
3.3拱圈橫向穩(wěn)定
《公路圬工橋涵設計規(guī)范》（JTG D61-2005）中5.1.4 規(guī)定[3]：“當板拱拱圈寬度等于或大于1/20 計算跨徑時，混凝土拱可不考慮橫向穩(wěn)定”，水磨大橋的拱圈寬度與計算跨徑的比值為0.207>0.05，因此本橋可不考慮橫向穩(wěn)定。
3.加固方案及要點
3.1 主拱圈錨噴混凝土加大截面
由計算分析結果可知，拱腳截面強度不足。因此采用錨噴混凝土加大截面的方式對拱圈進行加固。
1)對主跨主拱圈第一腹孔段拱背進行錨噴加固，厚20cm。對整跨拱腹錨噴10cm混凝土進行加固。錨噴混凝土均采用C40混凝土。
2)增設32cm厚C30混凝土拱座。
3)采用厚10cm的C40混凝土對腹拱進行錨噴加固。對于第一腹拱，噴射混凝土加固層應保留原腹拱圈的鉸縫。對于引孔整跨內拱腹錨噴20cm厚C40混凝土加固。同時對全橋拱圈砌縫脫落、空洞處進行修補。
為保證錨噴混凝土加固效果，在正式錨噴前，須在拱圈做錨噴試驗，并進行強度拉拔試驗，試驗需反復進行多次，直至錨噴效果達到設計和規(guī)范要求，才能進行拱圈的正式錨噴施工[4]。
3.2橋面鋪裝更換
對全橋橋面鋪裝進行更換，新更換橋面鋪裝采用C40防水混凝土，配置雙層鋼筋。原橋面鋪裝鑿除時應注意縱橋向對稱卸載，不得在橋跨范圍內堆載，新更換橋面混凝土的澆筑也應注意對稱加載。鑿除施工時應嚴格控制鑿除深度，不得過鑿，避免損傷拱上側墻及拱圈。在重新鋪裝前應對拱上填料適當夯實。施工時應小心謹慎，必要時采取防護措施。
3.3增設伸縮裝置
在兩側橋臺變形縫處增設TST（改性瀝青)彈塑體橋梁伸縮裝置。為保證伸縮縫和附近鋪裝的耐久性，在伸縮縫下方設置C15素混凝土墊層。
3.4更換橋頭搭板
更換龍樹岸橋臺搭板，新澆筑搭板前應對臺后填土重新夯實。
對全橋開裂、破損等局部病害進行修補，防止病害進一步發(fā)展，影響結構耐久性。
3.5 加固施工順序
根據結構受力特點和結構構造，該維修加固工程宜按如下順序施工：
原橋面鋪裝鑿除→→錨噴拱座混凝土→→主拱圈錨噴加固→→腹拱圈錨噴加固→→孔洞等病害和缺陷修補→→更換搭板→→橋面鋪裝澆筑施工、伸縮裝置施工→→其他修補施工。
4. 結論
隨著服役時間的增加，石拱橋經常出現橋面鋪裝破損、主拱圈及腹拱圈滲水泛白等為常見病害，而現有交通量及荷載也在增加，從而導致主拱圈等各主要受力結構出現承載力不足的現象。本文以水磨大橋為工程背景，對該橋進行了病害調查和分析，結構驗算結果表明該橋的承載力不能滿足現有荷載的要求，提出了使用增大截面法對拱圈等各主要受力結構進行加固，以及伸縮縫其他病害處的相應處理措施，并擬定了詳細的加固施工順序。本文的研究內容及加固可為類似工程加固提供有益的參考。
