某反修橋加固設計加固原理

張 鑫 江光炫

某反修橋建成于1969年,是文革時期由人民解放軍設計施工的一座雙曲拱橋,通車時間近40年,經實橋測量,反修橋的凈跨徑為2-60 m,凈高10 m,橋面全寬7.0 m,凈寬6.5m,左右兩側欄桿各0.25 m。反修橋建成至今近40年。2007年9月對該橋梁結構進行了檢查、檢測。檢查、檢測結果表明:“橋梁綜合評定得分為35,橋梁綜合評定等級為四類。建議對該橋進行大修或改造,及時進行交通管制,如限載、限速通過,當缺損較嚴重時應關閉交通。”為保證該橋梁能處于完好的技術狀態,提高其服務水平,延長長期使用年限。

1 拱橋主要病害情況

病害1:主拱拱肋除邊拱肋存在局部混凝土剝落、露筋、鋼筋銹蝕現象外,內拱肋基本完好,未發現裂縫。病害2:腹拱拱肋、拱波順橋向開裂、拱頂處破損、露筋、橫系梁有兩條環向裂縫。

2 結構破壞機理分析

造成雙曲拱橋破壞的原因主要有:1)原設計荷載等級較低,而現行荷載遠遠超過原設計荷載等級;原橋荷載為汽—15級,而如今低等級公路汽車荷載為公路—Ⅱ級,按照本橋60 m跨徑,原設計荷載一個車道可布置65 t荷載,按照公路—Ⅱ級可布置103 t荷載,相差很大;2)材料性能達不到使用要求,施工質量有缺陷。另外,隨著運營年限的增長,車輛荷載的增加,各種超限、超載車輛的行駛等因素作用也會導致橋梁結構開裂,破損,承載力下降。

綜上所述可以得出反修橋目前的結構病害是上述幾種因素綜合作用的結果。

3 結構計算分析

本次加固設計共采用兩種工況對反修路橋進行了結構安全分析:第一種工況為當前條件下橋梁的受力狀況分析:設計荷載為汽車—15級,掛車—80級,采用雙向兩車道;第二種工況為按照現行荷載等級進行受力狀況分析:設計荷載為公路—Ⅱ級,采用雙向兩車道;第三種工況為橋梁加固之后,在荷載等級提高的情況下橋梁的受力狀況分析:設計荷載為公路—Ⅱ級,采用雙向兩車道。

平面桿系分析:平面桿系分析主要包括拱肋、拱波、拱上立柱、縱梁以及墩臺基礎等。拱肋結構分析與計算:主拱邊肋截面為“L”形,中肋截面為倒“T”形,主拱拱肋較為完好,可以考慮拱波和拱板的組合截面受力,由于中肋的橫向分布系數較大,平面桿系以中拱計算;腹拱拱肋、拱波裂縫較多,按裸拱受力;主拱拱軸線形為懸鏈線,拱軸系數為2.45,矢跨比為1/6。拱腳約束和空間有限元相同。

拱肋計算主要包括承載能力極限狀態下的拱肋正截面抗壓強度驗算、拱肋斜截面抗剪強度驗算以及拱肋的橫向穩定性驗算三個部分和正常使用極限狀態下的裂縫寬度。

各構件截面幾何特性見表1。

表1 原橋部分構件截面幾何特性

拱圈作為鋼筋混凝土構件,其正截面抗壓強度驗算采用分項安全系數極限狀態設計法,其設計原則是:荷載效應最不利組合的設計值不大于結構抗力效應的設計值,表達式為:

對于雙曲拱橋,拱腳截面承受的剪力最大,正截面直接受剪強度按下式計算:

主拱圈的穩定性驗算:對于有拱上結構的拱橋而言,拱上結構參與主拱圈的聯合作用,提高了全拱的剛度,降低了主拱圈的活載彎矩,而對拱的縱向力沒有影響,從而縮小了縱向力的偏心距,所以拱橋的穩定性是沒有問題的。

1)第一種工況驗算結果,即主拱拱肋、腹拱拱肋在汽車—15級,掛車—80級荷載下的承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下計算結果表明原橋在汽車—15級,掛車—80級荷載作用下,承載能力組合一、二拱圈大部分截面均能滿足規范要求,只有在1號立墻與主拱圈交界處拱圈的結構抗力產生突變,不能滿足要求,原因是本橋腹拱跨徑過大,拱上填料較厚,立墻底部對主拱圈作用一個較大的集中力,使得主拱圈此處產生較大的彎矩,此處的主拱圈偏心距增大,導致內力增大,截面抗力不足;結果還表明原橋在汽車—15級,掛車—80級荷載作用下,承載能力組合作用下靠近橋墩、橋臺的腹拱圈拱頂和立墻附近的承載能力不足,靠近拱頂的腹拱圈大部分截面承載能力能夠滿足要求,但在靠近立墻的拱腳處承載能力不足。

小結:原橋在汽車—15級,掛車—80級荷載作用下,主拱承載能力能滿足規范要求;靠近墩臺的腹拱承載能力不能滿足要求,裂縫寬度超限。

2)第二種工況驗算結果,即拱肋在公路—Ⅱ級荷載下的承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下計算結果。

圖1表明原橋在公路—Ⅱ級荷載作用下,承載能力組合一拱頂至 L/4處截面不能滿足規范要求,承載能力不足,圖2表明主拱圈與立墻交界處在最不利荷載組合下出現微小裂縫,考慮到立墻與主拱圈1 m范圍內剛接,可以認為主拱圈不出現裂縫。

小結:原橋在公路—Ⅱ級荷載作用下,主拱拱頂至 L/4處大部分截面承載能力不能滿足要求;腹拱拱圈大部分截面承載能力不足,裂縫寬度超限;立墻下端承載能力不足。

4 加固方案

1)主拱圈。對于主拱圈,采用加大截面尺寸的方法進行補強,在主拱圈的拱肋上下緣、拱波及拱板部分,外包鋼筋網并現澆混凝土加大拱圈截面。2)橫向連系梁。為加強拱肋間的橫向作用,提高拱肋的整體受力效果,對于原橫系梁四周各外包10 cm的鋼筋混凝土,以提高主拱圈的橫向剛度。

5 加固后的結構分析

1)加固后的拱肋結構分析與計算(平面桿系)。各構件截面幾何特性見表2。由于中肋受力較大,本次計算僅列出中肋的計算結果,如圖3,圖4所示。圖3,圖4表明:拱上立柱作為小偏心受壓構件,其結構抗力比較富余,滿足規范的要求。

表2 加固后主拱圈截面幾何特性

2)計算結果。上述計算結果表明,加固后的主拱圈正截面抗壓、抗剪強度滿足安全要求,立柱滿足規范要求。總之,加固后的橋梁能夠滿足公路—Ⅱ級荷載的要求。