基于框架結(jié)構(gòu)的雙曲拱橋加固方法探討

陳　松，陳金巧

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶　400067；2.重慶建工橋梁工程有限責(zé)任公司，重慶　400060)

基于框架結(jié)構(gòu)的雙曲拱橋加固方法探討

陳松1，陳金巧2

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400067；2.重慶建工橋梁工程有限責(zé)任公司，重慶400060)

陳松(1987—)，工學(xué)碩士，主要從事橋梁加固維護(hù)技術(shù)研究。

摘要：文章針對(duì)郭家溝雙曲拱橋，對(duì)其病害狀況和產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并結(jié)合雙曲拱橋受力特點(diǎn)，探討了常規(guī)加固方案存在的不足，同時(shí)從改善主拱圈整體性出發(fā)，提出了一種新的加固措施——框架加固法，該法采用U型肋與橫系梁形成的框架結(jié)構(gòu)加固原橋拱肋，具有增加重量小、施工簡(jiǎn)便、受力明確等優(yōu)點(diǎn)，可為同類(lèi)工程參考。

關(guān)鍵詞：雙曲拱橋；病害分析；框架；加固

0引言

雙曲拱橋由于結(jié)構(gòu)輕巧、造型美觀(guān)、施工機(jī)械化程度要求低、無(wú)支架施工等諸多優(yōu)點(diǎn)，在20世紀(jì)60年代左右開(kāi)始大量修建[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)共修建有大大小小4萬(wàn)座雙曲拱橋[2]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量的日益增加，雙曲拱橋已出現(xiàn)不同程度的病害，并且在自然環(huán)境下石料的風(fēng)化導(dǎo)致其承載能力不斷降低。這些因素已影響到正常的交通運(yùn)營(yíng)，甚至可能威脅交通安全。若簡(jiǎn)單地采取拆除重建的方式進(jìn)行改造，不僅造成大量的資金、材料耗費(fèi)，而且也將造成交通中斷[3-4]。本文結(jié)合雙曲拱橋自身優(yōu)勢(shì)、特點(diǎn)，探索一種合理、經(jīng)濟(jì)的加固方式提高雙曲拱橋承載能力、剛度。

1工程概況

郭家溝橋位于奉節(jié)縣渝巴路段上，中心樁號(hào)為K502+753，該橋于1971年建成通車(chē)，為單孔凈跨徑20 m的空腹式雙曲拱橋，凈矢高4.5 m，矢跨比為1/4.4，拱圈厚度為0.6 m，橋梁全長(zhǎng)36 m，橋面寬度為6 m，混凝土路面，石砌重力式U型橋臺(tái)；設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-13級(jí)，拖-60級(jí)。橋型立面見(jiàn)圖1。

圖1　橋梁立面圖

主拱圈采用雙拱肋、單拱波形式，拱肋寬75 cm，高60 cm，拱波厚度為35 cm。腹孔凈跨徑2.2 m，墻式拱上立柱厚度為35 cm，截面布置圖見(jiàn)圖2。

圖2　原橋截面布置圖

2病害狀況及成因分析

2.1　橋梁病害狀況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及定期檢測(cè)報(bào)告了解到，該橋的主要病害存在以下幾個(gè)方面：

(1)主拱：拱頂位置，主拱肋料石存在少量橫向裂縫，拱波普遍存在裂縫，并有滲水痕跡；整個(gè)主拱圈砌縫砂漿大量脫落，拱頂下?lián)希恢鞴暗撞渴巷L(fēng)化現(xiàn)象較明顯；原φ10橫向連接鋼筋已嚴(yán)重銹蝕。

(2)腹拱：多處腹拱圈拱頂存在大面積的滲水現(xiàn)象，側(cè)墻局部外傾；拱圈砌石砂漿大量脫落，2#腹孔拱頂砌石脫落，3#腹孔拱頂存在明顯下?lián)献冃危还叭κ洗嬖诓糠诛L(fēng)化現(xiàn)象。

(3)橋面系：橋面鋪裝部分開(kāi)裂，兩側(cè)橋臺(tái)位置頂部存在貫通的橫向裂縫；防撞護(hù)欄存在松動(dòng)現(xiàn)象，橋臺(tái)兩側(cè)雜草叢生。

2.2　病害成因分析

由于該橋梁已運(yùn)營(yíng)使用逾四十余年，原設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載已不滿(mǎn)足現(xiàn)行交通要求，多年運(yùn)營(yíng)引起拱頂位置石料出現(xiàn)裂縫；原橋僅以鋼筋作為橫向聯(lián)系體，其剛度較小，在荷載作用下橫向分配作用能力弱，拱肋不均受力，導(dǎo)致拱肋-拱波間產(chǎn)生裂縫，加劇了拱波裂縫的產(chǎn)生；由于其施工過(guò)程采用“化整為零，集零為整”的方式，使得結(jié)構(gòu)的整體剛度較差，引起拱頂局部下?lián)希移隹p砂漿脫落，引起剛度較大退化，拱肋之間受力不均，以致產(chǎn)生裂縫。

腹拱滲水，多為橋面排水不暢，雨水經(jīng)路面裂縫下滲，填料受雨水浸泡，體積膨脹，對(duì)側(cè)墻造成擠壓，致使其外傾。

結(jié)構(gòu)受溫差影響發(fā)生變形，導(dǎo)致橋臺(tái)位置橋面長(zhǎng)期處于拉-壓交替作用；同時(shí)由于跨中下?lián)希箻蚺_(tái)位置路面受拉產(chǎn)生裂縫；橋臺(tái)位置雨水下滲進(jìn)入臺(tái)后填料，而臺(tái)后填料的膨脹變形反過(guò)來(lái)又會(huì)影響橋面鋪裝。

3常規(guī)加固方案

該橋所處位置地質(zhì)良好，拱座位置地基承載力較高，由于橫墻、腹拱為普通類(lèi)型可按照常規(guī)拱橋加固設(shè)計(jì)，對(duì)于主拱，目前主要的加固方式包括以下幾個(gè)：

3.1　增大截面加固方案

常規(guī)拱橋主拱圈加固主要采用增大截面加固法。通過(guò)在拱底部植筋澆筑20~30cm厚鋼筋混凝土與原石拱圈形成復(fù)合受力體系。其特點(diǎn)：混凝土澆筑方量大，導(dǎo)致原石拱圈需承擔(dān)較大部分的新增恒載[5]。新增混凝土主拱圈僅在活載下與原結(jié)構(gòu)共同參與受力，因此其加固效率較低，往往用于小跨徑石拱橋加固。

3.2　粘貼鋼板方案

粘貼鋼板的原理本質(zhì)和增大截面加固法類(lèi)似。雖然對(duì)于混凝土的收縮徐變、灌注混凝土施工帶來(lái)的影響有所改善[6]，但是鋼板與原石拱圈主要通過(guò)粘結(jié)膠及錨固螺栓共同參與受力，大量的錨栓樁孔也是對(duì)石材的削弱，且石材風(fēng)化，不利于粘結(jié)膠發(fā)揮作用。

3.3　錨噴混凝土加固方案

主要是采用高壓混泥土使鋼筋網(wǎng)與石砌結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，相比增大截面法，雖然減少了模板支架，但由于采用大量植筋對(duì)原主拱形成了次生傷害[7]，且混凝土的噴射質(zhì)量較澆筑施工低，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性改善不大。

上述幾種主要的加固方法在板拱、肋拱橋的加固中運(yùn)用較為廣泛。對(duì)于雙曲拱橋，拱波外形為弧面，若采用澆筑混凝土給拱圈底緣支模造成了困難，因此，需要尋找一種既能增加雙曲拱橋整體剛度，提高承載能力，又能簡(jiǎn)化施工，降低工程成本的方法。

4框架加固措施及優(yōu)點(diǎn)

針對(duì)本橋主拱圈為雙曲板拱結(jié)構(gòu)的特殊情況，考慮從改善結(jié)構(gòu)整體性、提高截面承載能力、增強(qiáng)主拱耐久性三方面對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，提出了框架式加固主拱肋的形式(見(jiàn)圖3)。其橫斷面加固構(gòu)造圖見(jiàn)圖4。

圖3　框架加固方案圖

圖4　加固斷面圖

4.1　加固措施

(1)從減輕恒載增加量，改善整體性出發(fā)，提出拱肋外包U型鋼筋混凝土增大拱肋受力面積，同時(shí)改善拱肋整體性；U型肋與原拱肋之間采用自密實(shí)微膨脹混凝土提高兩者之間的粘結(jié)能力，避免收縮徐變引起的截面粘結(jié)裂縫，解決混凝土澆筑不易密實(shí)的問(wèn)題。

(2)分別在拱頂、3/8、1/4、5/8、拱腳位置增設(shè)9道橫向聯(lián)系梁，形成框架結(jié)構(gòu)，提高整體性能。通過(guò)利用復(fù)合主拱圈協(xié)調(diào)變形、共同承擔(dān)荷載的原理，達(dá)到增大主拱圈剛度、強(qiáng)度，提高橋梁承載能力的目的。

(3)加固施工過(guò)程按照對(duì)稱(chēng)原則[9]，從拱腳向拱頂施工，橫系梁處與U型肋鋼筋之間綁扎連接，澆筑自密實(shí)微膨脹混凝土，待混凝土達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后方可拆除支架[10]。

(4)對(duì)主拱圈的拱肋、拱波、橫隔板及立柱裂縫采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行灌注封閉，對(duì)砌縫脫落的采用環(huán)氧砂漿進(jìn)行補(bǔ)縫。

(5)砌石脫落、破損的采用環(huán)氧混凝土進(jìn)行修補(bǔ)。

4.2　技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1)框架加固法，以U型鋼筋混凝土對(duì)原拱肋形成約束，提高拱肋承載能力，并以9道橫向聯(lián)系梁形成整體受力框架，改善整體受力性能。

(2)該法具有施工難度小的特點(diǎn)。常規(guī)混凝土澆筑，兩側(cè)拱肋可同時(shí)施工不受作業(yè)面影響，施工速度快；僅在主要截面采用聯(lián)系梁加固，改善整體性的同時(shí)避免了沿橋全長(zhǎng)加固的麻煩。

(3)經(jīng)濟(jì)適用，較增大截面的加固方法，本方法具有材料用料少，結(jié)構(gòu)重量增加小，施工措施費(fèi)用低的特點(diǎn)。

5結(jié)語(yǔ)

至20世紀(jì)六七十年代大規(guī)模修建雙曲拱橋以來(lái)，其經(jīng)多年運(yùn)營(yíng)，主要出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)整體性退化、拱波開(kāi)裂、砌縫脫落等病害，尋找一種受力明確、經(jīng)濟(jì)適用的加固方法對(duì)恢復(fù)雙曲拱橋使用性能有重要意義。

本文提出的框架加固法，具有施工難度小，工程造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。采用U型肋與橫系梁形成的框架結(jié)構(gòu)加固原橋拱肋，起到了提高橋梁整體性能的目的，增強(qiáng)了主拱圈的承載能力，較傳統(tǒng)做法減少了加固重量，大大簡(jiǎn)化了施工，可為同類(lèi)橋梁加固提供借鑒。

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Discussions on Two-way Curved Arch Bridge Reinforcement Method Based on Frame Structure

CHEN Song1，CHEN Jin-qiao2

(1.China Merchants Chongqing Communications Technology Research and Design Institute Co.，Ltd.，Chongqing，400067；2.Chongqing Construction Engineering Bridge Engineering Co.，Ltd.，Chongqing，400060)

Abstract：Regarding Guojiagou two-way curved arch bridge，this article analyzed its disease condition and their cause，and combined with the stress characteristics of two-way curved arch bridge，it dis-cussed the deficiencies of conventional reinforcement schemes，while starting from improving the integ-rity of main arch ring，it proposed a new reinforcement measure-Frame Reinforcement Method，which uses the frame structure composed by U-shaped rib and transverse beam to reinforce the arch rib of original bridge，and it has the advantages of small increase in weight，simple construction，and clear force，thus it can be referred by similar projects.

Key Words：Two-way curved arch bridge；Disease analysis；Frameworks；Reinforcement

收稿日期：2015-02-06

文章編號(hào)：1673-4874(2015)02-0018-04

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.7+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.02.005

作者簡(jiǎn)介