預(yù)應(yīng)力鋼拱承托法在雙曲拱橋加固中的應(yīng)用

張中獻(xiàn)（遵義市公路工程質(zhì)量檢測(cè)中心，貴州　遵義　563000）

?

預(yù)應(yīng)力鋼拱承托法在雙曲拱橋加固中的應(yīng)用

張中獻(xiàn)（遵義市公路工程質(zhì)量檢測(cè)中心，貴州遵義563000）

雙曲拱橋因?yàn)槠渥陨斫Y(jié)構(gòu)的缺陷導(dǎo)致其容易出現(xiàn)橫向聯(lián)系薄弱、整體結(jié)構(gòu)性能差及拱肋易開裂等問(wèn)題，加上后期養(yǎng)護(hù)不足，使得在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的損壞。雙曲拱橋的加固方法眾多，本文結(jié)合某雙曲拱橋的加固實(shí)例，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼拱加固法的加固效果進(jìn)行研究，得出相關(guān)結(jié)論，可為類似工程提供參考。

雙曲拱橋；加固方法；預(yù)應(yīng)力鋼拱

1　引言

20世紀(jì)60年代，我國(guó)江蘇人民創(chuàng)造了雙曲拱橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)造價(jià)低，施工便捷，且外形美觀，成為了當(dāng)時(shí)橋梁工程中比較常見(jiàn)的拱橋形式。但因其存在著橫向聯(lián)系薄弱、整體結(jié)構(gòu)性能差及拱肋易開裂等先天不足，又因養(yǎng)護(hù)不力等因素影響，都在運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)了不同程度的病害，需要采取一定的加固處理。

2　工程背景

某座建于20世紀(jì)70年代的鋼筋混凝土雙曲拱橋，跨徑20.4m，矢高3.9m，橋面寬10.65m，橫向5肋4波，拱肋間距為2.35m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回彈檢測(cè)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到25號(hào)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該橋的主要病害有：拱肋下部出現(xiàn)順筋裂縫，裂縫寬度在0.5～2mm不等，長(zhǎng)度在0.5～3m，拱波出現(xiàn)波頂裂縫，橫向系梁根部出現(xiàn)不同程度的露筋，腹拱開裂嚴(yán)重，嚴(yán)重危及橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。

3　橋梁分析

3.1拱軸曲線方程

根據(jù)原有資料得到主拱圈的主要幾何參數(shù)：拱軸系數(shù)m= 1.347；拱軸計(jì)算跨度L=16.473m；拱軸計(jì)算矢高f=2.783m。

拱軸按懸鏈線曲線方程為：

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，上述拱軸曲線方程與實(shí)際較為吻合。若取拱軸系數(shù)為1，則可用二次拋物線作為拱軸曲線方程，本例中若采用二次曲線作為拱軸方程也與實(shí)測(cè)基本吻合，計(jì)算也較為簡(jiǎn)單。

3.2荷載計(jì)算及拱圈內(nèi)力分析

主拱圈的加固是本次橋梁加固的關(guān)鍵所在，在內(nèi)力分析之前，需首先確定拱軸所承受的荷載，該荷載分為永久荷載和可變荷載兩種。在計(jì)入荷載分項(xiàng)系數(shù)和影響線得到了主拱圈的控制截面內(nèi)力。

（1）永久荷載。永久荷載包括橋面結(jié)構(gòu)的面層、橋面板、蓋梁、拱波板、填充層、小立柱、主拱圈自重等。為使橋梁滿足加固后的承載要求，上述所有構(gòu)件均應(yīng)按加固后的預(yù)選截面計(jì)算，其中，橋面自重標(biāo)準(zhǔn)值約為30．3kN/m2，主拱圈自重荷載約為10kN/m，考慮相鄰拱肋中心距為1．93m，故折算到單個(gè)拱圈上的水平線載標(biāo)準(zhǔn)值約為：

（2）可變荷載。本次加固的橋梁可變荷載分為汽車荷載和人群荷載，其中汽車荷載分布于車道范圍，人群荷載分布于人行道之間。考慮人群荷載遠(yuǎn)小于車道荷載，選取一個(gè)主拱圈計(jì)算時(shí)，僅計(jì)算車道荷載的主拱圈，所有主拱圈均按相同截面和配筋設(shè)計(jì)。本次汽車荷載按公路——Ⅰ級(jí)考慮，車道荷載的均布荷載為 qk=10．5kN/m，集中荷載按內(nèi)插計(jì)算得到 pk= 185．9kN。本次為雙向行駛兩車道，橫向分布折減系數(shù)為1，折算到單個(gè)拱圈上的車道均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值和集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別為：

（3）主拱圈控制截面內(nèi)力。因主拱圈與支座的關(guān)系從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際來(lái)看難以準(zhǔn)確地歸為鉸支或固接，為保證加固后的安全，按支座鉸支和固接兩種情況均能滿足的要求進(jìn)行內(nèi)力分析和加固改造設(shè)計(jì)。

拱圈的控制截面按支座、跨中和1/4跨處考慮，以減少計(jì)算工作量。主拱圈的內(nèi)力的設(shè)計(jì)值計(jì)入了內(nèi)力分項(xiàng)系數(shù)，剪力設(shè)計(jì)值計(jì)入了車道集中荷載的1．2放大系數(shù)。集中荷載計(jì)入的是按影響線產(chǎn)生的最大內(nèi)力。彎矩以拱下受拉為正，軸力以受壓為正。

4　加固方案及分析

4.1主拱圈

拱肋是雙曲拱橋的重要承重構(gòu)件，也是加固的重點(diǎn)位置，在對(duì)混凝土表面的缺陷、鋼筋外露銹蝕、裂縫處理等進(jìn)行處理和修補(bǔ)，本次工程采用的提載加固方法，盡量減少加固結(jié)構(gòu)自身重量，弱化其對(duì)于原結(jié)構(gòu)造成的影響，使得原結(jié)構(gòu)的應(yīng)用力不平衡。在加固階段，也要注重對(duì)原結(jié)構(gòu)的保護(hù)，后加固結(jié)構(gòu)要和原結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，可以在加固以后共同參與受力。經(jīng)過(guò)方案比選，本次工程采用的預(yù)應(yīng)力鋼鋼承托法加固拱肋，對(duì)新增的鋼拱軸向施加預(yù)應(yīng)力，從而使得原主拱結(jié)構(gòu)卸載，達(dá)到加固的最終目的，如圖1所示。

圖1　主拱圈加固示意圖

4.2其他加固

①全部拱波微彎板底部都需要噴射混凝土，有縱向裂縫的部位要使用粘貼碳纖維布進(jìn)行加固；②橋中腹拱立墻豎向裂縫的擊鼓方法是在其外部包裹兩層碳纖維布；③腹拱的加固是在其底部粘貼熱軋輕型槽鋼；④基礎(chǔ)采用擴(kuò)大截面法，同時(shí)綜合鋼化管注漿進(jìn)行加固。

4.3預(yù)應(yīng)力鋼拱承托加固施工

①原拱肋混凝土表面處理：需要先鑿除混凝土表面上破損的地方，再對(duì)鋼筋以及混凝土表面進(jìn)行徹底清理，再使用高強(qiáng)度環(huán)氧砂漿對(duì)損傷部位進(jìn)行修補(bǔ)，拱座用混凝土包裹；②主拱軸線實(shí)測(cè)；③鋼板及鋼構(gòu)件放樣、加工制作，鋼構(gòu)件加工結(jié)束之后需要先噴砂除銹，然后涂刷一層防銹底漆；④主拱根部植筋，焊接固定加固支座；⑤鋼骨架吊裝、焊接；⑥焊接千斤頂支撐鋼板，施加預(yù)應(yīng)力，焊接鋼套筒，拆除千斤頂；⑦鋼骨架頂面焊接鋼板與主拱錨固連接，對(duì)拱肋與鋼骨架空隙處灌注環(huán)氧砂漿；⑧全部鋼骨架頂推焊接結(jié)束之后完成焊接鋼板橫向聯(lián)系；⑨對(duì)拱腳位置包裹5cm混凝土，保護(hù)頂推處鋼骨架，對(duì)其他位置鋼骨架進(jìn)行噴砂處理。

5　施工監(jiān)控

為保證橋梁加固施工過(guò)程中的安全，施工過(guò)程中對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了監(jiān)控：原混凝土拱的內(nèi)力、新加鋼拱的內(nèi)力、拱腳處水平位移、關(guān)鍵截面的撓度。

同時(shí)，在加載過(guò)程中，還要對(duì)有無(wú)新裂縫產(chǎn)生進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，已有裂縫是否擴(kuò)大。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在頂推過(guò)程中，控制測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值小于計(jì)算值并且未達(dá)到或超過(guò)按規(guī)范安全條件反算的控制應(yīng)力；拱腳處的水平位移或者拱肋的撓度也沒(méi)有超過(guò)允許值；施工加載未使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非正常的受力損傷或局部發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)裂縫的長(zhǎng)度、縫寬沒(méi)有明顯的增加，沒(méi)有新裂縫出現(xiàn)。千斤頂在拱腳處施加的外力總和為823.3kN。在1/4拱肋處鋼拱承受的平均軸向壓力僅為為80.81kN，所以拱腳至1/ 4段的拱圈承受了338.34kN的拉力，即主拱圈軸向壓力減少338.34kN，平均56.39kN，占施加頂推力的41.1%。可見(jiàn)采用鋼拱的頂推加固起到減小主拱內(nèi)力的作用。加固后拱肋的內(nèi)力儲(chǔ)備得到大大地提高。

6　荷載試驗(yàn)

為了驗(yàn)證加固施工的效果，進(jìn)行了橋梁加載試驗(yàn)。加載車輛采用了總重38t的三軸車輛。為使加載量不低于公路-Ⅰ級(jí)的荷載標(biāo)準(zhǔn)，采用同時(shí)布置四車且采用車尾對(duì)車尾的布載方式。加載過(guò)程中主要進(jìn)行了主拱肋的應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試、撓度變形測(cè)量。并對(duì)加固前后的橋拱自振頻率進(jìn)行了實(shí)測(cè)。載荷試驗(yàn)表明，主拱豎向位移較小，與理論計(jì)算較為吻合；主拱肋壓應(yīng)力遠(yuǎn)低于所采用的灌漿料的抗壓強(qiáng)度；加固前后對(duì)比，橋拱自振頻率由原來(lái)的6．015Hz變?yōu)?．668Hz。這些說(shuō)明橋梁剛度及整體性有較大提高，承載力顯著增強(qiáng)。

7　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)雙曲拱橋加固前后的橋梁結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，通過(guò)荷載試驗(yàn)表明，橋梁設(shè)計(jì)荷載有所提升，橋梁的承載能力得到優(yōu)化，可以滿足當(dāng)其以及未來(lái)的行車運(yùn)輸要求。由此可見(jiàn)，預(yù)應(yīng)力鋼拱承托法在雙曲拱加固中的應(yīng)用效果顯著，可行性較高，值得推廣。

［1］李淵，潘竺蘭.鋼骨架承托法提載加固雙曲拱橋的研究與應(yīng)用［J］.中國(guó)科技博覽，2010（33）：310～311.

［2］林 杰，王 晨.危舊雙曲拱橋技術(shù)狀況及承載能力評(píng)定方法研究［J］.武漢紡織大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（6）：90～94.

［3］劉志華，陳宇新.結(jié)構(gòu)截面改變?cè)诩扔须p曲拱橋加固中的應(yīng)用探討［J］.北方交通，2012（6）：126～129.

［4］陳 彪.鋼箱加固法在雙曲拱橋加固中的應(yīng)用研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014（1）：45～49.

張中獻(xiàn)（1987-），男，助理工程師，碩士，從事工作方向?yàn)闃蛄簷z測(cè)。

U445.7

A

2095-2066（2016）14-0206-02

2016-5-1