某鋼筋混凝土箱型拱橋的加固設(shè)計(jì)
2015-09-14
一、橋梁概況
某鋼筋混凝土箱型拱橋橋梁全長115.0m，橋面全寬11.6m。橋面橫向布置為0.25m（護(hù)欄）+1.05m（人行道）+9.0m（行車道）+1.05m（人行道）+0.25m（護(hù)欄）。橋梁原設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級，掛-100。橋梁跨徑組成為1×10m+1×70m+1×10m。主跨上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制鋼筋混凝土箱型板拱，橫向布置6塊寬1.5m的預(yù)制鋼筋混凝土拱箱，矢跨比為1/6；主跨兩側(cè)各設(shè)置4孔腹拱，腹拱凈跨徑為5.0m，矢跨比為1/6，腹拱拱圈采用預(yù)制鋼筋混凝土板拱，單塊板寬為1m,單孔橫向布置9塊；下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺，擴(kuò)大基礎(chǔ)；橋面采用瀝青混凝土鋪裝；兩側(cè)設(shè)置0.25m寬護(hù)欄；全橋未設(shè)置伸縮縫。
二、橋梁主要病害
2011年3月檢測時發(fā)現(xiàn)0號橋臺側(cè)1號腹拱拱腳下沉錯位嚴(yán)重，下沉錯位最大達(dá)5.0cm，兩岸引孔跨中處頂部均存在橫向貫通裂縫。2011年4月復(fù)檢時發(fā)現(xiàn)0號橋臺側(cè)1號腹拱原下沉部位下沉量發(fā)展較快，且此部位的腹拱上側(cè)墻也隨之下沉，復(fù)檢時發(fā)現(xiàn)已下沉6～7cm，導(dǎo)致側(cè)墻與橋臺前墻頂部出現(xiàn)錯臺，并且與人行道縱梁間出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，脫空最大達(dá)10cm；腹拱拱圈預(yù)制件拱腳處混凝土破碎露筋，拱上腹拱橫墻頂部即腹拱拱座處混凝土受壓破損開裂，情況嚴(yán)重。其余部位病害復(fù)檢時未發(fā)現(xiàn)有明顯的發(fā)展趨勢。
三、主要病害成因分析
3.1 端腹拱拱腳下沉、錯位
3.1.1 成因推斷
根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)及竣工資料，拱橋端腹拱設(shè)計(jì)為三鉸拱，并且設(shè)置變形縫以適應(yīng)橋梁變形。而從現(xiàn)場調(diào)查情況來看，端腹拱為簡單支撐體系，拱腳位置未見鉸接處理，也未設(shè)置變形縫，腹拱前墻拱腳貼合處構(gòu)造角度較小，對拱圈約束作用較弱，且未設(shè)置防落梁構(gòu)造。拱橋主拱圈在材料收縮和溫度變化作用下，其拱軸線將對稱的升高或降低；在荷載作用下將產(chǎn)生對稱或不對稱的變形，而拱上建筑也會隨著主拱的變形而變形。
在降溫作用下，由于主拱圈的變形引起腹拱橫墻及腹拱圈在順橋向河心方向發(fā)生變位，而端腹拱河岸側(cè)拱腳未設(shè)置有效的鉸結(jié)構(gòu)連接，對端腹拱拱腳縱向水平位移基本無約束作用，而腹拱前墻剛度較大，受溫度影響引起的水平變位相對較小，腹拱前墻設(shè)置在主拱拱腳位置，受主拱圈變形影響也較小，從而導(dǎo)致腹拱前墻與腹拱圈不能協(xié)調(diào)變形，拱腳貼合面處腹拱圈與腹拱前墻間在降溫作用下呈剝離趨勢，抵抗拱腳下沉的貼合面之間的支撐摩擦作用被削弱，同時腹拱前墻拱腳處未設(shè)置防落梁構(gòu)造，導(dǎo)致拱橋端腹拱拱腳產(chǎn)生下沉錯位現(xiàn)象。
經(jīng)調(diào)查該拱橋上經(jīng)過的運(yùn)輸鐵路施工材料的重車較多，當(dāng)重載車半孔加載時，承載半孔的主拱圈部分向下變形，空載半孔部分向上變形，重載側(cè)的端腹拱將隨主拱圈向河心方向變位，重載沖擊作用導(dǎo)致端腹拱河岸側(cè)拱腳逐漸錯位、下沉，并與拱上側(cè)墻剝離，同時橋面對應(yīng)位置出現(xiàn)開裂、錯臺；而后在升溫作用下，由于主拱圈的變形引起腹拱橫墻及腹拱圈在順橋向向河岸方向發(fā)生變位，端腹拱拱腳已錯位、下沉，與腹拱前墻抵死而不能復(fù)位，導(dǎo)致腹拱圈計(jì)算跨徑增大，在升溫作用下受到來自水平方向的擠壓作用，拱頂截面承受較大負(fù)彎矩而導(dǎo)致端腹拱拱頂上緣發(fā)生開裂現(xiàn)象。
3.1.2 計(jì)算分析
計(jì)算采用橋梁有限元計(jì)算軟件Midas/Civil建立計(jì)算模型，拱橋端腹拱按實(shí)際狀況簡支體系模擬。橋梁位于嚴(yán)寒地區(qū)，整體升溫按34℃取值，整體降溫按-23℃取值，汽車荷載采用原設(shè)計(jì)荷載汽車-20級，掛-100，從理論計(jì)算上對拱橋病害的成因推斷進(jìn)行驗(yàn)證。
計(jì)算結(jié)果表明，拱橋在降溫作用下，端腹拱河岸側(cè)拱腳與腹拱前墻頂端相對位移為11.0mm，端腹拱河岸側(cè)拱腳向河心側(cè)位移為8.6mm，而腹拱前墻頂端向河岸側(cè)位移僅為2.4mm；升溫作用下，端腹拱拱圈受腹拱前墻限制，向河岸側(cè)水平位移僅為1mm。
3.1.3 綜合分析
推斷與結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)論基本吻合，綜合橋梁病害狀況、竣工圖與實(shí)際構(gòu)造的差異、橋梁近年交通量增大狀況及結(jié)構(gòu)計(jì)算等幾方面判斷，端腹拱河岸側(cè)拱腳錯位下沉為腹拱構(gòu)造處理不當(dāng)、溫度影響及超重車沖擊所致。
3.2 引孔拱頂橫向開裂
該拱橋建成年代比較早，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，加之近年來運(yùn)輸鐵路施工材料的重車較多，超載車輛反復(fù)作用，導(dǎo)致引孔拱頂下緣橫向開裂。
四、維修加固設(shè)計(jì)內(nèi)容
本次設(shè)計(jì)以排除端腹拱處安全隱患，縮短施工工期，盡快恢復(fù)交通為原則。
4.1 端腹拱下緣粘貼鋼板
在端腹拱拱圈下緣順橋向粘貼Q345鋼板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，同時防止頂升過程中腹拱圈拱頂下緣發(fā)生開裂，提高施工安全性，鋼板寬度為30cm，厚度為6mm，每塊腹拱板下緣橫向布置2條，單側(cè)腹拱圈共計(jì)18條，在鋼板端部設(shè)置頂升楔形塊，采用C40聚合物混凝土灌實(shí)，作為千斤頂頂升著力面。
4.2 增設(shè)頂升支撐裝置及牛腿
為阻止端腹拱拱圈的持續(xù)下沉，在端腹拱兩側(cè)的腹拱前墻及Ⅰ號腹拱橫墻上增設(shè)鋼筋混凝土牛腿，通過種植鋼筋和在新老混凝土結(jié)合面鑿毛與腹拱前墻及Ⅰ號腹拱橫墻連接，牛腿頂面與腹拱圈鋼板楔形塊之間鋪墊三層油毛氈，腹拱圈可在水平方向自由伸縮且保證有足夠的支撐寬度。
在腹拱前墻及Ⅰ號腹拱橫墻拱腳下方40cm處橫向通長設(shè)置支撐裝置作為頂升反力架，支撐裝置為Q345鋼板焊接而成，采用高強(qiáng)錨栓錨固于腹拱前墻及Ⅰ號腹拱橫墻，同時作為澆筑新增牛腿混凝土的底模使用，并與新增牛腿共同參與受力。
4. 3 設(shè)置臨時支撐
為防止頂升過程中端腹拱拱圈發(fā)生破壞，頂升前在端腹拱設(shè)置滿堂支撐，以確保施工安全。
4. 4 腹拱拱座環(huán)向粘貼鋼板
針對腹拱拱座裂縫，采用環(huán)向粘貼寬度30cm，厚度為6mm的Q345鋼板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，腹拱拱座粘貼鋼板構(gòu)造。
4. 5 引孔增設(shè)鋼筋混凝土套拱
針對引孔拱頂橫向貫通裂縫，采用增設(shè)25cm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土套拱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，套拱按無鉸拱設(shè)計(jì)，套拱通過種植鋼筋與原引孔拱圈連接。
五、結(jié)論
?。?）通過在拱橋端腹拱兩側(cè)的腹拱前墻及Ⅰ號腹拱橫墻上增設(shè)鋼筋混凝土牛腿，牛腿頂面與腹拱圈鋼板楔形塊之間鋪墊三層油毛氈，阻止了端腹拱的持續(xù)下沉，并且端腹拱拱圈可在水平方向自由伸縮且保證有足夠的支撐寬度，改善了橋梁的受力狀態(tài)。
?。?）通過在拱橋引孔增設(shè)25cm厚現(xiàn)澆混凝土套拱，提高了橋梁的承載能力。
