既有石拱橋的加固技術(shù)研究
2015-06-23
隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，公路交通量也不斷快速增長。橋梁作為公路的重要組成部分，其承載力也因此面臨著日益增大的荷載的挑戰(zhàn)。隨著橋梁結(jié)構(gòu)的不斷破損、老化，這種矛盾也日益顯現(xiàn)并逐漸加劇，各種橋梁結(jié)構(gòu)病害也隨之而來。尤其是那些結(jié)構(gòu)存在問題、設計理論不成熟以及施工經(jīng)驗不足的橋梁問題更為突出。
石拱橋由于其節(jié)省材料、受力合理以及外形優(yōu)美的特點，在二十世紀七八十年代的公路建設中得到了大量采用。但是隨著時間的推移，許多舊石拱橋設計標準低，施工質(zhì)量差，隨著交通量不斷增長，重型車大量增加，超載、超限運輸嚴重，這些橋梁漸漸出現(xiàn)了拱圈、橋臺開裂等各種嚴重病害，給橋梁的安全運營帶來隱患。目前，很多石拱橋已成為危橋，對車輛的正常運行造成嚴重影響。因此，對石拱橋的維修加固展開研究工作具有十分重要的實際意義。
1 工程概況及主要病害
該石拱橋竣工于二十世紀九十年代初。該橋上部結(jié)構(gòu)型式為4×22 m的石拱橋；下部結(jié)構(gòu)為漿砌片石墩臺，擴大基礎；橋面鋪裝采用水泥混凝土，無伸縮縫。橋面橫向布置為1.25 m（人行道）+9.0 m（機動車道）+1.25 m（人行道）。凈矢高：fn=3.273 m；凈矢跨比：fn/ln=1/6.24；拱軸線：懸鏈線，m=2.117528；主拱圈寬度：b=6.5 m；主拱圈厚度：d=0.65 m；腹拱圈寬度：b1=6.5 m；腹拱圈厚度：d1=0.35 m；主拱圈及腹拱圈均采用M7.5砂漿砌MU30號片石該橋總體布置情況如圖1所示。
通過對橋梁進行外觀檢查，橋梁病害主要存在以下幾個方面：①幾乎所有腹拱圈出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，裂縫超限；②主拱圈出現(xiàn)橫向裂縫；③拱腳、拱腰滲水結(jié)晶；④橋面及搭板裂縫修補厚重新開裂；⑤人行道板表面砂漿已經(jīng)破壞，欄桿破損嚴重，主要表現(xiàn)為立柱混凝土剝落、露筋、傾斜，欄桿多處構(gòu)件缺損、整榀欄桿外傾等。
2 既有石拱橋結(jié)構(gòu)檢算
該橋竣工于二十世紀九十年代初，為跨徑4×22 m的聯(lián)拱橋，鑒于該橋的結(jié)構(gòu)特性，在檢算過程中，第一步依據(jù)《公路磚石及混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTJ 022-85）進行抗推剛度計算，第二步依據(jù)外觀檢查結(jié)果確定檢算系數(shù)，第三步是按照《公路磚石及混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTJ 022-85）進行結(jié)構(gòu)檢算。
考慮到該橋結(jié)構(gòu)為矩形板拱，橫橋向沒有偏心，結(jié)構(gòu)檢算時取單位拱寬來進行建模計算，恒載和活載按均攤于拱圈寬度來進行計算，抗推剛度計算結(jié)果如表1所示。
由表1可知，該橋主墩和主拱圈的抗推剛度之比為48.73，大于37，故該橋按照單孔進行計算。而根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，并結(jié)合外觀檢查結(jié)果，綜合確定本橋檢算系數(shù)為0.95。
該橋單孔跨徑組合為22 m，采用空間計算程序Midas2010對全橋進行模擬。主拱圈和腹拱圈采用空間梁單元模擬，橋面板采用虛擬梁單元模擬，橋面板與主拱圈之間的連接采用彈性連接進行模擬。全橋共98個節(jié)點，90個單元，全橋結(jié)構(gòu)離散如圖2所示。
根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG 021-89）及《公路磚石及混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTJ 022-85），結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果如表2及表3所示。
計算結(jié)果表明，由于超重車輛和溫降等，無論是拱腳截面還是拱頂截面最大彎矩工況對應的軸力計算值均超過極限抗力值，不滿足規(guī)范要求。而通過應力檢算，拱橋上緣最大拉應力為0.84 MPa，下緣最大壓應力為4.55 MPa，均超過規(guī)范限制，是產(chǎn)生裂紋的主要原因。
3 維修加固方案確定
橋梁維修加固方法和技術(shù)很多，但不外乎是從提高結(jié)構(gòu)自身抗力和減輕結(jié)構(gòu)恒載兩個角度對橋梁進行加固補強，常用的加固方法包括：粘貼碳纖維布加固、粘鋼（板）法加固、外包混凝土加固、錨噴混凝土加固等。
由于該橋的拱腳裂紋較多，結(jié)構(gòu)抗力不滿足要求。根據(jù)對加固方法的比選，采用復合主拱圈加固技術(shù)：原主拱圈拱腹增設鋼筋混凝土拱板形成復合主拱圈，通過復合主拱圈的協(xié)調(diào)變形和共同作用來承擔后期荷載，增大主拱圈強度和剛度，提高橋梁承載能力。
具體施工工序包括：①原主拱圈拱腹增設鋼筋混凝土肋拱加固；②橋臺前墻設鋼筋混凝土板加固，同時作為新增鋼筋混凝土拱圈的拱座；③采用密封膠封閉腹拱圈縱向裂縫；④重新修補橋面鋪裝裂縫；⑤修復破損人行道；⑥疏通泄水孔，確保橋面排水系統(tǒng)功能良好；⑦墩臺前墻采用鋼筋混凝土板（厚25 cm）加固，高度方向延伸到基礎頂。
其中，主拱圈拱腹增設鋼筋混凝土肋拱加固的具體措施：在原橋主拱圈底部現(xiàn)澆4道高45 cm，寬100 cm的C30鋼筋混凝土肋拱，及5道高45 cm，寬50 cm的C30鋼筋混凝土橫系梁；靠拱腳一個腹拱處的主拱圈背面現(xiàn)澆15 cm厚C30鋼筋混凝土，以提高主拱圈拱腳處抵抗負彎矩的能力，對腹拱圈裂縫采用密封膠進行封縫。施工中應注意的是，為了使新加拱圈與老拱圈更好的連接成為一個整體，需要在老拱圈表面鑿毛，如發(fā)現(xiàn)拱圈實際狀況與方案不符，應及時調(diào)整，主拱圈加固立面及平面圖分別如圖3、圖4所示。 4 橋梁維修加固效果的評估
根據(jù)《公路橋梁加固設計規(guī)范》（JTG/T J22-2008），按下列兩個階段進行加固計算：
第一階段：澆混凝土層達到強度標準值之前，按照老拱圈截面計算，荷載考慮原橋自重在內(nèi)的恒載、現(xiàn)澆混凝土層自重及施工荷載。
第二階段：澆混凝土層達到強度標準值后，拱圈按照加固后整體截面進行計算，作用（荷載）考慮包括加固后拱圈自重在內(nèi)的恒載、二期恒載及使用階段的可變作用。加固后拱腳及拱頂截面最大彎矩工況極限承載能力計算結(jié)果如表4及表5所示。
計算結(jié)果表明，無論是拱腳斷面還是拱頂斷面，承載能力均有大幅度提高，滿足規(guī)范要求。與此同時，在汽車-20級及掛車-100作用下?lián)隙扔嬎憬Y(jié)果如表6所示。
由表6可知，原拱圈在汽車荷載作用下，靜活載撓度值接近規(guī)范限值，加固后靜活載撓度明顯降低，滿足規(guī)范要求。
5 結(jié) 論
石拱橋的加固改造是舊橋、危橋改造的一項重要內(nèi)容，而橋梁的加固改造對橋梁結(jié)構(gòu)壽命有著顯著的影響。理想的加固改造技術(shù)應該是盡少地改變橋梁結(jié)構(gòu)原貌及附屬設備；盡少地阻礙交通；提供足夠的承載能力，且具備應有的耐久性及經(jīng)濟性。
對本橋而言，通過對比加固前后該橋的承載能力、靜活載撓度值等各項指標。采用復合主拱圈加固技術(shù)達到了增加拱圈剛度、強度，提高橋梁承載力、防水蝕、抗風化的目的。于此同時復合主拱圈加固施工工藝簡單，造價低，工期短，不影響交通，不污染環(huán)境，能夠有效提高舊橋承載力，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，可供類似橋梁加固提供借鑒。
