關于鋼筋砼雙曲拱橋加固維修的一些分析
2012-12-31 00:00:00張金泉
中華建設科技 2012年8期
【摘 要】.基于鋼筋砼雙曲拱橋建設年代較久和跨度較大的情況下，對基礎較牢固，只是主拱圈不滿足現行交通及重車通行的鋼筋砼雙曲拱橋，通過實例對鋼筋砼雙曲拱橋進行結構受力分析，進而采取加固方案，使主拱圈提高承載力，繼續發揮老橋的經濟和社會效益。.
【關鍵詞】 .鋼筋砼雙曲拱；橋梁；加固；工程實例；分析；主拱圈
Reinforced concrete arch bridge on the hyperbolic reinforcement of the maintenance of some of the analysis
Zhang Jin-quan
(Wenzhou highway engineering design firm Wenzhou Zhejiang 325027).
【Abstract】.Based on double reinforced concrete arch bridge during construction of a longer and larger span， on the basis of a strong， just not satisfied with the main arch of the existing traffic and heavy vehicles use the hyperbolic reinforced concrete arch bridge， for example through the reinforced concrete hyperbolic arch bridge Structural analysis， and to take reinforcement， so that the main ring to increase capacity， continue to play an old bridge economic and social benefits..
【Key words】.Reinforced concrete hyperbolic arch；Bridge；Reinforcement；Project；Analysis；Main ring
1. 引言.
鋼筋砼雙曲拱橋，由于跨度較大和相對經濟，作為七八十年代公路大中型橋梁而廣泛存在。隨著我國經濟的快速發展，交通量快速增加和重車的大量通行，原來施工較為落后和設計橋梁荷載相對較低，使鋼筋砼雙曲拱橋較頻繁地出現：橋面開裂，腹拱圈開裂、斷裂，主拱圈出現裂縫等病害。雖然拱橋基礎完好，但這些病害嚴重威脅橋梁的安全，況且雙曲拱橋橋下凈高都較大，對交通安全存在極大隱患，不可不引起重視。
對于基礎較好的鋼筋砼雙曲拱橋，通過結構受力分析，適當地改變部分拱上結構，并對主拱圈進行加固，使其提高荷載抗力，是可以繼續發揮鋼筋砼雙曲拱橋的結構和經濟優勢，繼續為經濟社會發展服務。
2. 具體工程實例.
2.1 橋梁概況。
（1）浙江省溫州市永嘉縣塘灣大橋橫跨楠溪江，中心樁號為K0+470.65，于1978年12月建成通車。塘灣大橋橋跨組合采用5×46m的無鉸雙曲拱，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=2.814，橋梁全長274.5m，橋全寬8.6m：7m(行車道)+2×0.8m(人行道)。
（2）橋梁上部結構采用5肋+4波的鋼筋混凝土雙曲拱，肋距1.93m，主拱圈全寬8m，拱肋底寬28cm、高45cm。拱圈凈跨徑46m，設計跨徑46.875m，凈矢高為7.66m，矢跨比為1/6。邊肋采用“L”形截面，中肋為倒“T”形截面。拱波為預制混凝土構件，厚8cm凈跨為165cm，凈矢高為82.5cm，矢跨比為1/2?，F澆拱板厚13.5cm；橫隔板為厚10cm，高99cm的鋼筋混凝土構件。主拱上設10個腹孔，其中8個明腹孔，2個暗腹孔，腹拱墩采用漿砌塊石組成(見圖1、2)。
（3）橋梁下部構造采用石砌重力式墩臺，其中橋墩基礎為低樁承臺，每個承臺打入30×30×800cm鋼筋混凝土小方樁，橋墩基底四周鋪設鋼筋混凝土席塊。橋梁下部構造質量良好。
2.2 橋梁技術評定。根據該橋檢測報告結果，依照《公路橋涵養護規范》(JTG H11-2004) 的要求，對該橋總體技術狀況等級評定，全橋結構技術狀況綜合評分Dr=47.8，評定該橋為三類橋。
2.3 加固修復方案。根據橋梁各部位構造的評定，主拱圈，橫墻蓋梁、腹孔拱圈，橋面系都在修復加固之列。
修復加固方式，一可以減少上部橫載，提高安全系數；二加固主拱圈提高荷載抗力。塘灣雙曲拱橋的病害情況，兼采用上面兩種方式：(1)鑿除橋面系后，把腹孔拱圈更換為先簡支后連續板式結構，與之配套就是橫墻蓋梁的修復及加高；(2)在上部結構減輕橫載后，同時加固主拱圈，采用粘貼碳纖維材料或增大主拱圈截面積，加強截面抗彎拉應力。
2.4 按現狀驗算主拱圈承載力。塘灣大橋原橋單孔構造如圖3，塘灣大橋拱式結構改為板式結構后，單孔構造如圖4。
以便結構受力分析，現將板式結構改造方案的具體內容分述如下：
2.4.1 .橋面系。原橋面鋪裝層破損嚴重，同時由于腹孔拱板改板的需要，原橋面鋪裝砼鑿除后重新澆筑，更換全橋伸縮縫。.
（1）新橋面鋪裝橫坡1.5%，為減輕拱上結構自重，橫坡由立墻帽調整，鋪裝層厚均為10cm，采用C40砼，12@10×10cm鋼筋網。
（2）更換全橋伸縮縫，在墩頂中心及橋臺各設置GQF-C40伸縮縫一道。
（3）拆除原橋人行道板與欄桿，改建為50cm寬鋼筋砼防撞護欄。
橋面系采用拆建的方式，較每跨原橋面系的恒載減少737KN。
2.4.2 腹孔拱波更換為矩形板。原橋腹孔拱波斷裂嚴重，是原橋最薄弱的構件。（1）靠近橋墩中心線兩側的腹拱波厚度為20cm，其余腹拱波厚度為10cm，每片寬度30cm，原設計腹拱波為250號砼。腹拱波構造如圖5所示：
（2）腹孔拱波為圓弧形雙鉸拱，計算跨徑300cm，矢高50cm，矢跨比1/6，拱腹線的半徑R=250cm。單片腹拱波整體強度差，只要有其中一片腹孔拱波跨中開裂成三鉸拱時，又導致相鄰腹孔拱波的開裂，破斷；加之交通量日益增加，超載車輛的通行，腹孔拱波必須予以更換。
改腹孔拱波為板式結構；同時考慮砼護欄，在實腹拱段設置現較挑臂板。
（3）雙曲拱橋拱上結構加固經驗，將拱式結構腹孔拱波改為板式結構，兩者相比板式自重減少、結構較為輕巧，使作用在主拱圈上的恒載減小。如本施工圖設計用厚26cm的連續板，每孔板自重為3249KN；雖較每孔拱背填料、側墻等合計重量2715KN增加534KN，但綜合橋面系則減少203KN，這無疑提高了主拱圈承載力。
2.4.3 驗算主拱圈承載力。主拱圈正截面的承載能力，是大橋維修加固設計的重點。雖然上部恒載減輕，但由于主拱圈的拱波縱向裂縫拱波開裂占全橋的12.8%，在拱腳處的拱波斷裂更多，裂縫可以進行灌漿封閉，要恢復到原設計狀態是有問題的。在這一點上我們認為，主拱圈截面抗力不能滿足設計荷載的要求。具體受力分析如下。
(1)設計主拱圈的組成。雙曲拱橋的主拱圈是由拱肋，拱波（俗稱瓦片）及拱板三部分組合而成，塘灣大橋的主拱圈組合構造見圖6：
(2)主拱圈荷載組合驗算?？紤]到拱板、拱波的斷裂現狀，驗算主拱圈承載力時，假設拱波退出組合截面，但仍保留其自重。這樣假設略去拱波是偏安全的，也可作為結構上的安全儲備。不計F2時組合截面的各項要素見上表1的最后一行。
.將組合截面折算為換算面積，截面為114.0×.39.4cm矩形（如圖7），倒“T”拱肋中部與頂部鋼筋換算面積不在下緣，在承載力的計算中不起作用，故略而不計。
根據塘灣大橋設計資料，各種荷載內力見表2。
荷載組合計算見表3，表中荷載組合參照原設計，沒有考慮永久作用效應與汽車作用效應的分項系數。
2.5 主拱圈加固設計。由于將拱波退出了主拱圈的組成截面，使截面受到了削弱，導致了截面強度不足，加大現有主拱圈的截面是加固設計的主要措施，這就是“加大截面法”。加大截面有兩種方案。
2.5.1 加強拱腳，加大拱腳截面。加大拱腳區段的截面使等截面無鉸拱成為變截面無鉸拱，增加拱腳截面的剛度也會增加拱腳截面的彎矩，只要能夠求到加大拱腳的截面后，計算承載力強度不超過設計強度，驗算才能通過。根據無鉸拱的拱頂彎矩影響性質；在拱腳負彎矩影響區間上加載，會減少拱頂正彎矩。這點在直觀上認為：拱腳部分壓得愈重，拱腳截面大，在拱頂荷載下，拱腳不會翹起。這種加固方案方法有利于改善拱腳，拱頂兩個控制截面受力狀態，提高拱橋的承載能力。
加固方法：在拱腳段的拱板上植筋與加高部分的鋼筋混凝土聯結成整體，共同受力。
2.5.2 .粘貼碳纖維材料。碳纖維布或板，是一種新型復合型材料，具有質輕、耐腐蝕，抗拉設計標準強度是鋼筋的10倍，施工便捷。近年來在舊橋加固中廣泛使用，我市77省道延伸線靈昆大橋，蒼南龍港大橋都是粘貼碳纖維材料加固取得預期的效果。.
粘貼碳纖維材料是按下式換算一定用量的碳纖維材料：
Acf=As×Ry/Rcf.(1)
Acf——碳纖維材料面積；As——抵抗不足彎矩所需的普通鋼筋面積；Rcf——碳纖維材料抗拉標準設計強度；Ry——鋼筋抗拉標準設計強度。按常規的鋼筋混凝土受力分析模型進行理論分析和按橋涵設計規范（JTG D62-2004）進行截面配筋、穩定性、承載力等內容驗算。塘灣橋主拱圈是屬于小偏心受壓構件，拱頂截面作用正彎矩，拱腳截面作用負彎矩。小偏心受壓構件中受拉鋼筋應力計算，是受拉區混凝土是否出現裂縫的關鍵，必須使其應力小于規范所規定鋼筋的設計強度。
驗算結果截面下緣貼CFS-120型碳纖維板一層。主拱圈截面上緣因拱板頂橫截面成弧形，碳纖維板不能粘貼，故粘貼CF-30型碳纖維布一層，寬度450mm。
2.5.3 兩種加固方案的比較。方案一，須對原橋主拱圈拱腳負彎矩影響線長度內植筋鉆孔，加大拱腳斷面增加恒載，影響了活載通過能力；同時也增加基礎荷載。加大拱腳斷面后形成的無鉸拱，拱背是一條不規則的幾何曲線，線形不圓滑，影響外觀。方案二，對原橋主拱圈不作任何處理，保持原狀，不增加恒載，加固后不存在方案一中各方面的缺陷，且施工方便，工藝成熟。
因此塘灣大橋主拱圈采用方案二，粘貼碳纖維材料加固。同時對一般裂縫的處理：凡裂縫寬度δ≥0.2mm，對裂縫灌壓環氧漿處理；δ＜0.2mm采用環氧膠封閉處理。2.6 主要工程量及造價(見表5)。.
2.7 工程評價。通過以上腹拱改板，使每跨結構恒載減輕203KN，又通過碳纖維材料加固主拱圈，恢復了主拱圈的承載力。根據工程主要數量及造價表，老橋加固維修是較經濟合理的。.
3. 結語.
本文僅對鋼筋砼雙曲拱的某一類型，進行實例加固修復的受力分析，其它類型的雙曲拱或拱橋也可以參考該工程實例的思路——改變上部受力結構，或同時加固主要承重結構（主拱圈），來修復、利用老橋，繼續發揮拱橋的優勢作用。
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參考文獻.
［1］ .《公路工程技術標準》（JTG BO1-2003）
［2］ 《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）
［3］ 《公路鋼筋砼及預應力砼橋涵設計規范》（JTG D62-2004）
［4］ 《公路橋加固設計規范》（JTG/T J22-2008）
［5］ 《公路橋梁加固施工技術規范》（JTG/T J23-2008）
［6］ 《塘灣大橋竣工圖》（1978.11）
［7］ 《溫州塘灣橋檢測報告》交通部公路工程檢測中心（2008.06.30）
［8］ 童岳生，梁興文編注.鋼筋混凝土構件設計.北京.科學技術文獻出版社，1995.
［文章編號］.1619-2737（2012）12-14-067.
［作者簡介］張金泉（1980.3-）男，職稱：助理工程師，2003.7月畢業于華東交通大學道路與橋梁專業。
