增大截面法加固混凝土拱橋方法研究

王志才

(北京中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán))

1 前言

目前我國(guó)的交通建設(shè)事業(yè)正如火如荼，總體來(lái)看未來(lái)幾十年中，新建工程項(xiàng)目將逐漸減少，橋梁的養(yǎng)護(hù)、維修、加固及改造工程逐漸成為主流。拱橋在我國(guó)橋梁中占有很大比重，有大量的拱橋需要進(jìn)行加固改造，其中不乏重要路段的大跨度拱橋。目前，越來(lái)越多的文獻(xiàn)研究關(guān)于舊橋的維修加固工作。為舊橋加固的病害分析及加固方式方法提供了理論依據(jù)。結(jié)合某大跨度拱橋的維修加固工作，通過(guò)計(jì)算對(duì)比加固前后截面截面承載能力增大值，從實(shí)際設(shè)計(jì)方面考慮拱橋加固中較實(shí)際有效的加固方式——增大截面法。通過(guò)對(duì)增大截面加固拱橋的設(shè)計(jì)及施工工藝分析，旨在探索對(duì)舊拱橋加固改造過(guò)程中的理論分析和評(píng)估方法。

2 增大截面法加固舊拱橋的優(yōu)勢(shì)

增大截面加固法也稱之為外包混凝土加固法，是采用同種材料即混凝土和鋼筋增大結(jié)構(gòu)物的截面面積，提高抗彎慣性矩，從而提高結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及抗裂性能。

拱式橋受力特性大多數(shù)為偏心受壓構(gòu)件。改變結(jié)構(gòu)物的截面尺寸，對(duì)增加強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性方面較其他加固方式更加效果明顯。但是也有一定的缺點(diǎn)，就是新增加混凝土?xí)黾釉瓨?gòu)件的負(fù)擔(dān)。還必須考慮下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的承受力是否滿足。因此，拱橋增加大截面尺寸不宜過(guò)大，通過(guò)大量拱橋計(jì)算評(píng)估，加固厚度一般取15～20 cm為宜。并且在加固過(guò)程中，應(yīng)阻止交通，并盡量較少上部恒載。

增大截面加固法屬于被動(dòng)加固法，加固構(gòu)件的作用(或荷載)效應(yīng)分兩個(gè)階段：第一階段，新澆筑混凝土層在達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值之前，構(gòu)件按原構(gòu)件截面計(jì)算。即構(gòu)件原截面要承受加固前本身的自重及因增大截面產(chǎn)生的自重作用，截面拉、壓邊的混凝土及鋼筋已有的初始應(yīng)力或者應(yīng)變。第二階段：新澆筑混凝土層達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值后，構(gòu)件按加固后整體截面計(jì)算，作用(或荷載)應(yīng)考慮包括加固后構(gòu)件自重在內(nèi)的恒載，二期作用恒載及使用階段的可變作用。

根據(jù)受力特點(diǎn)，增大截面加固屬于兩階段受力，需要采用換算截面分階段計(jì)算，才能反應(yīng)各材料的受力狀況。并進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。因此，在計(jì)算的時(shí)候符合截面平截面假定，新增混凝土與舊橋混凝土粘貼可靠、變形協(xié)調(diào)一致。計(jì)算的原理是按彈性理論的方法分別計(jì)算加固前及加固后截面邊緣新、舊混凝土壓應(yīng)力。并疊加成實(shí)際的最終應(yīng)力。從而驗(yàn)算截面的強(qiáng)度及裂縫情況。以混凝土的壓應(yīng)力及鋼筋的拉應(yīng)力作為強(qiáng)度控制要素。對(duì)加固后的截面進(jìn)行持久狀況承載能力極限狀態(tài)的承載力進(jìn)行計(jì)算。

(1)第一階段計(jì)算，即增大截面的混凝土凝固之前由構(gòu)件自重及新增混凝土產(chǎn)生截面彎矩對(duì)截面邊緣舊混凝土及鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)力，如圖1。圖中M和N值包含原構(gòu)件自重及新增加混凝土產(chǎn)生的彎矩及軸力。

恒載彎矩包含原構(gòu)件自重及新增加混凝土自重產(chǎn)生的彎矩。

(2)第二階段計(jì)算，即加固后構(gòu)件新、舊混凝土形成整體共同承擔(dān)活載和后增加恒載產(chǎn)生的彎矩對(duì)截面新、舊混凝土及鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)力。圖中M、N值包含加固后新增二期荷載，及活載對(duì)截面產(chǎn)生的彎矩及軸力。

第一階段與第二階段應(yīng)力疊加形成截面最終應(yīng)力狀態(tài)。截面應(yīng)力在新舊混凝土交界處發(fā)生突變，中性軸位置下移，使得混凝土受壓高度增大。加固承載能力提高。

圖1 截面彎矩對(duì)截面邊緣舊混凝土及鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)力

3 工程實(shí)例分析

1某橋位于省道S350線上，跨徑組合為5×45 m，橋梁全長(zhǎng)258.5 m，橋面凈寬度為12 m，上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土上承式雙曲拱橋，下部結(jié)構(gòu)采用多柱式墩，設(shè)計(jì)荷載為汽-20級(jí)、掛-100級(jí)，于1978年6月12日建成通車。

該橋經(jīng)過(guò)30年得運(yùn)營(yíng)，出現(xiàn)了一定程度的病害，經(jīng)過(guò)相關(guān)部門的檢測(cè)鑒定為危橋，需要對(duì)其進(jìn)行維修加固。計(jì)算采用有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)建立空間模型，進(jìn)行受力分析。對(duì)加固前結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，對(duì)加固后結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。以確定加固方案的實(shí)施及加固效果的評(píng)價(jià)。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，對(duì)該橋兩個(gè)邊孔及一跨中孔建立模型如圖所示：采用空間梁?jiǎn)卧ⅲ晒袄摺⒐袄哌B接系、拱上立柱、墩上立柱、橫系梁、縱梁幾個(gè)部分組成，建立模型時(shí)候采用實(shí)際的拱軸線。

采用加固方法：對(duì)主拱圈拱肋采用增大截面法進(jìn)行加固，其方法為在在拱肋兩側(cè)各加厚12 cm，下緣加厚15 cm混凝土;原橋橫系梁兩側(cè)各加厚12 cm橫系梁下緣加厚至與拱肋新增截面平齊。

按承載能力荷載極限狀態(tài)進(jìn)行荷載組合，內(nèi)力組合應(yīng)考慮下列三組組合型式。

組合Ⅰ：恒載+汽車

組合Ⅱ：恒載+汽車+收縮徐變+溫度

組合Ⅲ：恒載+掛車

表1、2給出了該主拱圈。腹拱圈各截面在各組合作用下的計(jì)算結(jié)果。限于篇幅僅僅列出最不利組合Ⅱ下，主拱圈和腹拱圈各關(guān)鍵截面偏心受壓承載能力計(jì)算值。

表1 加固前、后主拱肋承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度演算

表2 加固前、后腹拱圈承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度演算

通過(guò)表格中的對(duì)加固前加固后主拱圈和腹拱圈加固前后做對(duì)比，可得，增大截面加固后對(duì)原拱橋承載能力有了較大提升，加固效果明顯。

4 施工工藝

本橋混凝土增大截面采用錨噴混凝土施工工藝，其施工流程為先對(duì)受噴面進(jìn)行清洗與鑿毛，使噴射混凝土與原結(jié)構(gòu)有足夠粘結(jié)力，保證兩種混凝土達(dá)到整體受力的要求。鑿毛用人工鑿成深度約5 mm，密度為9～12點(diǎn)/10 cm2的小坑。

在拱圈及腹拱圈表面按一定間距植入鋼筋，并將增大截面鋼筋焊接到植筋上，構(gòu)成鋼筋骨架。

噴射混凝土。噴射混凝土層的厚度根據(jù)設(shè)計(jì)需要確定。每次噴護(hù)厚度不宜超過(guò)8 cm。前后噴射混凝土的時(shí)間間隔一般小于2 h。視水泥品種，施工時(shí)間的氣溫和速凝劑等因素而定。

5 結(jié)束語(yǔ)

增大截面加固法是一種傳統(tǒng)的加固方法。優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，實(shí)用面廣，廣泛適用于梁、板、柱、墻的加固，有其是對(duì)受壓結(jié)構(gòu)、偏心受壓結(jié)構(gòu)加固效果尤其明顯。近幾年，新材料。新施工工藝的實(shí)施使得這種加固方法有了更廣泛的應(yīng)用范圍。但是該加固方法也有一定的缺點(diǎn)，就是現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量大。養(yǎng)護(hù)期比較長(zhǎng)。對(duì)生產(chǎn)和生活有一定的影響。本文通過(guò)對(duì)增大截面的受力特性進(jìn)行研究，旨在今后加固工作中不斷推出新的工藝，施工方法。使得增大截面這一加固方法不斷注入新的血液，揚(yáng)長(zhǎng)避短。這在我國(guó)當(dāng)前存在大量需要維修改造的情況下，具有一定的實(shí)際意義。

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［1］中華人民共和國(guó)交通部部標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(合訂本)，1989.

［2］中華人民共和國(guó)行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn).公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG/TJ22-2008)［S］.

［3］中華人民共和國(guó)行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn).混凝土橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTG/TJ22-2008)［S］.

［4］范立礎(chǔ).橋梁工程(上、下)第二版［M］.北京：人名交通出版社，1996.