關于鋼筋砼雙曲拱橋加固維修的一些分析

2008-12-31 00:00:00張金泉

中華建設科技 2008年12期

【摘要】基于鋼筋砼雙曲拱橋建設年代較久和跨度較大的情況下，對基礎較牢固，只是主拱圈不滿足現行交通及重車通行的鋼筋砼雙曲拱橋，通過實例對鋼筋砼雙曲拱橋進行結構受力分析，進而采取加固方案，使主拱圈提高承載力，繼續發揮老橋的經濟和社會效益。

【關鍵詞】鋼筋砼雙曲拱；橋梁；加固；工程實例；分析；主拱圈

1. 引言

鋼筋砼雙曲拱橋，由于跨度較大和相對經濟，作為七八十年代公路大中型橋梁而廣泛存在。隨著我國經濟的快速發展，交通量快速增加和重車的大量通行，原來施工較為落后和設計橋梁荷載相對較低，使鋼筋砼雙曲拱橋較頻繁地出現：橋面開裂，腹拱圈開裂、斷裂，主拱圈出現裂縫等病害。雖然拱橋基礎完好，但這些病害嚴重威脅橋梁的安全，況且雙曲拱橋橋下凈高都較大，對交通安全存在極大隱患，不可不引起重視。

對于基礎較好的鋼筋砼雙曲拱橋，通過結構受力分析，適當地改變部分拱上結構，并對主拱圈進行加固，使其提高荷載抗力，是可以繼續發揮鋼筋砼雙曲拱橋的結構和經濟優勢，繼續為經濟社會發展服務。

2. 具體工程實例

2.1 橋梁概況。浙江省溫州市永嘉縣塘灣大橋橫跨楠溪江，中心樁號為K0+470.65，于1978年12月建成通車。塘灣大橋橋跨組合采用5×46m的無鉸雙曲拱，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=2.814，橋梁全長274.5m，橋全寬8.6m：7m(行車道)+2×0.8m(人行道)。

橋梁上部結構采用5肋+4波的鋼筋混凝土雙曲拱，肋距1.93m，主拱圈全寬8m，拱肋底寬28cm、高45cm。拱圈凈跨徑46m，設計跨徑46.875m，凈矢高為7.66m，矢跨比為1/6。邊肋采用“L”形截面，中肋為倒“T”形截面。拱波為預制混凝土構件，厚8cm凈跨為165cm，凈矢高為82.5cm，矢跨比為1/2。現澆拱板厚13.5cm；橫隔板為厚10cm，高99cm的鋼筋混凝土構件。主拱上設10個腹孔，其中8個明腹孔，2個暗腹孔，腹拱墩采用漿砌塊石組成(見圖1、2)。

橋梁下部構造采用石砌重力式墩臺，其中橋墩基礎為低樁承臺，每個承臺打入30×30×800cm鋼筋混凝土小方樁，橋墩基底四周鋪設鋼筋混凝土席塊。橋梁下部構造質量良好。

2.2 橋梁技術評定。根據該橋檢測報告結果，依照《公路橋涵養護規范》(JTG H11-2004) 的要求，對該橋總體技術狀況等級評定，全橋結構技術狀況綜合評分Dr=47.8，評定該橋為三類橋。

2.3 加固修復方案。根據橋梁各部位構造的評定，主拱圈，橫墻蓋梁、腹孔拱圈，橋面系都在修復加固之列。

修復加固方式，一可以減少上部橫載，提高安全系數；二加固主拱圈提高荷載抗力。塘灣雙曲拱橋的病害情況，兼采用上面兩種方式：(1)鑿除橋面系后，把腹孔拱圈更換為先簡支后連續板式結構，與之配套就是橫墻蓋梁的修復及加高；(2)在上部結構減輕橫載后，同時加固主拱圈，采用粘貼碳纖維材料或增大主拱圈截面積，加強截面抗彎拉應力。

2.4 按現狀驗算主拱圈承載力。塘灣大橋原橋單孔構造如圖3，塘灣大橋拱式結構改為板式結構后，單孔構造如圖4。

以便結構受力分析，現將板式結構改造方案的具體內容分述如下：

2.4.1 橋面系。原橋面鋪裝層破損嚴重，同時由于腹孔拱板改板的需要，原橋面鋪裝砼鑿除后重新澆筑，更換全橋伸縮縫。

（1）新橋面鋪裝橫坡1.5%，為減輕拱上結構自重，橫坡由立墻帽調整，鋪裝層厚均為10cm，采用C40砼，12@10×10cm鋼筋網。

（2）更換全橋伸縮縫，在墩頂中心及橋臺各設置GQF-C40伸縮縫一道。

（3）拆除原橋人行道板與欄桿，改建為50cm寬鋼筋砼防撞護欄。

橋面系采用拆建的方式，較每跨原橋面系的恒載減少737KN。

2.4.2 腹孔拱波更換為矩形板。原橋腹孔拱波斷裂嚴重，是原橋最薄弱的構件。靠近橋墩中心線兩側的腹拱波厚度為20cm，其余腹拱波厚度為10cm，每片寬度30cm，原設計腹拱波為250號砼。腹拱波構造如圖5所示：

腹孔拱波為圓弧形雙鉸拱，計算跨徑300cm，矢高50cm，矢跨比1/6，拱腹線的半徑R=250cm。單片腹拱波整體強度差，只要有其中一片腹孔拱波跨中開裂成三鉸拱時，又導致相鄰腹孔拱波的開裂，破斷；加之交通量日益增加，超載車輛的通行，腹孔拱波必須予以更換。改腹孔拱波為板式結構；同時考慮砼護欄，在實腹拱段設置現較挑臂板。

雙曲拱橋拱上結構加固經驗，將拱式結構腹孔拱波改為板式結構，兩者相比板式自重減少、結構較為輕巧，使作用在主拱圈上的恒載減小。如本施工圖設計用厚26cm的連續板，每孔板自重為3249KN；雖較每孔拱背填料、側墻等合計重量2715KN增加534KN，但綜合橋面系則減少203KN，這無疑提高了主拱圈承載力。

2.4.3 驗算主拱圈承載力。主拱圈正截面的承載能力，是大橋維修加固設計的重點。雖然上部恒載減輕，但由于主拱圈的拱波縱向裂縫拱波開裂占全橋的12.8%，在拱腳處的拱波斷裂更多，裂縫可以進行灌漿封閉，要恢復到原設計狀態是有問題的。在這一點上我們認為，主拱圈截面抗力不能滿足設計荷載的要求。具體受力分析如下。

(1)設計主拱圈的組成。雙曲拱橋的主拱圈是由拱肋，拱波（俗稱瓦片）及拱板三部分組合而成，塘灣大橋的主拱圈組合構造見圖6：

(2)主拱圈荷載組合驗算。考慮到拱板、拱波的斷裂現狀，驗算主拱圈承載力時，假設拱波退出組合截面，但仍保留其自重。這樣假設略去拱波是偏安全的，也可作為結構上的安全儲備。不計F2時組合截面的各項要素見上表1的最后一行。

將組合截面折算為換算面積，截面為114.0×39.4cm矩形（如圖7），倒“T”拱肋中部與頂部鋼筋換算面積不在下緣，在承載力的計算中不起作用，故略而不計。

根據塘灣大橋設計資料，各種荷載內力見表2。

荷載組合計算見表3，表中荷載組合參照原設計，沒有考慮永久作用效應與汽車作用效應的分項系數。

(3)主拱圈承載能力。根據“檢測報告”推定砼設計強度標號為25號，拱波拱板混凝土強度未測定。據了解塘灣大橋施工時，受到機械設備的限制，除拱肋混凝土用小型自落式拌和機外，拱波、拱板全用人工拌和。因此在驗算承載力時，將混凝土標號降至為C20。強度設計值f_cd=9.20MPa，f_cd=1.06MPa。

由表3荷載組合內力，計算拱頂、拱腳截面的承載能力見表4。

表4中單位為MPa，凡有“*”者，為設計承載力強度超過設計強度的截面，拱頂截面下緣拉應力不足，拱腳截面上緣拉應力工況超出37%，下緣壓應力超出設計強度最大為67%。

2.5 主拱圈加固設計。由于將拱波退出了主拱圈的組成截面，使截面受到了削弱，導致了截面強度不足，加大現有主拱圈的截面是加固設計的主要措施，這就是“加大截面法”。加大截面有兩種方案。

2.5.1 加強拱腳，加大拱腳截面。加大拱腳區段的截面使等截面無鉸拱成為變截面無鉸拱，增加拱腳截面的剛度也會增加拱腳截面的彎矩，只要能夠求到加大拱腳的截面后，計算承載力強度不超過設計強度，驗算才能通過。根據無鉸拱的拱頂彎矩影響性質；在拱腳負彎矩影響區間上加載，會減少拱頂正彎矩。這點在直觀上認為：拱腳部分壓得愈重，拱腳截面大，在拱頂荷載下，拱腳不會翹起。這種加固方案方法有利于改善拱腳，拱頂兩個控制截面受力狀態，提高拱橋的承載能力。

加固方法：在拱腳段的拱板上植筋與加高部分的鋼筋混凝土聯結成整體，共同受力。

2.5.1 粘貼碳纖維材料。碳纖維布或板，是一種新型復合型材料，具有質輕、耐腐蝕，抗拉設計標準強度是鋼筋的10倍，施工便捷。近年來在舊橋加固中廣泛使用，我市77省道延伸線靈昆大橋，蒼南龍港大橋都是粘貼碳纖維材料加固取得預期的效果。

粘貼碳纖維材料是按下式換算一定用量的碳纖維材料：

A_cf=A_s×R_y/R_cf(1)

A_cf——碳纖維材料面積；

A_s——抵抗不足彎矩所需的普通鋼筋面積；

R_cf——碳纖維材料抗拉標準設計強度；

R_y——鋼筋抗拉標準設計強度。

按常規的鋼筋混凝土受力分析模型進行理論分析和按橋涵設計規范（JTG D62-2004）進行截面配筋、穩定性、承載力等內容驗算。塘灣橋主拱圈是屬于小偏心受壓構件，拱頂截面作用正彎矩，拱腳截面作用負彎矩。小偏心受壓構件中受拉鋼筋應力計算，是受拉區混凝土是否出現裂縫的關鍵，必須使其應力小于規范所規定鋼筋的設計強度。

驗算結果截面下緣貼CFS-120型碳纖維板一層。主拱圈截面上緣因拱板頂橫截面成弧形，碳纖維板不能粘貼，故粘貼CF-30型碳纖維布一層，寬度450mm。

2.5.3 兩種加固方案的比較。方案一，須對原橋主拱圈拱腳負彎矩影響線長度內植筋鉆孔，加大拱腳斷面增加恒載，影響了活載通過能力；同時也增加基礎荷載。加大拱腳斷面后形成的無鉸拱，拱背是一條不規則的幾何曲線，線形不圓滑，影響外觀。方案二，對原橋主拱圈不作任何處理，保持原狀，不增加恒載，加固后不存在方案一中各方面的缺陷，且施工方便，工藝成熟。

因此塘灣大橋主拱圈采用方案二，粘貼碳纖維材料加固。同時對一般裂縫的處理：凡裂縫寬度δ≥0.2mm，對裂縫灌壓環氧漿處理；δ＜0.2mm采用環氧膠封閉處理。

2.6 主要工程量及造價(見表5)。