某拱桥病害分析及加固方案探讨
2015-10-21汤尚明陈艳玮
汤尚明 陈艳玮
【摘要】某拱桥主桥为 100m+142m+100m 三连拱桥，主孔为中承式钢管混凝土肋拱桥，边孔为上承式钢筋混凝土箱形肋拱桥。由于运营时间长，且超载运营严重，导致存在一定的病害和损伤。本文介绍了该桥的病害情况及加固设计，可供同类桥梁参考。
【关键词】拱桥 加固
1. 工程概况
某拱桥主桥为 100m+142m+100m 三连拱桥，主孔为中承式钢管混凝土肋拱桥，边孔为上承式钢筋混凝土箱形肋拱桥。桥面宽34m。
主孔拱肋采用悬链线无铰拱，计算跨径L=142.56m，计算矢高f=35.64m，矢跨比f/L=1/4，拱轴系数m=1.3，每一拱肋为4？800钢管混凝土桁架，上下游拱肋间距26.8m，拱肋间设一道"米"字横撑及二道"K"字横撑。吊杆采用？s7-109 平行钢丝束，吊杆纵向间距为5.2m。
边孔拱肋采用悬链线无铰拱，计算跨径L=100m，计算矢高f=16m，矢跨比f/L=1/6.25，拱轴系数m=2.514，上下游拱肋间距26.8m，两肋独立成拱，无横向联系。每片拱肋均采用单箱三室截面，拱箱高度320cm，宽度为540cm，箱室内空宽×高=120cm×250cm，拱箱顶、底板厚均为25cm，边腹板厚20cm，中腹板厚60cm，拱箱内设19 片横隔板，横隔板厚度25 cm，纵向间距520cm。
该桥由于运营时间长，且超载运营严重，导致该桥存在一定的病害和损伤。近年来，相继发现边跨主拱肋箱间纵向裂缝、横梁裂缝等病害。通过全面检测，桥梁综合评定等级为B 类。在考虑到于部分主拱拱座已开有八字型裂缝，边跨拱肋纵向接缝开裂等病害对结构形成了较大的安全隐患，须对该桥进行维修加固，以保证桥梁的运营安全及运营质量。
图1桥型简图
2. 桥梁病害情况及原因分析
2.1 边跨上承式钢筋混凝土箱肋拱桥
1）边跨拱肋拱腹结合缝纵向开裂，裂缝沿拱圈基本贯通。边跨下游拱肋拱背上也存在断续的纵向裂缝，多数拱上立柱垫梁竖向裂缝。裂缝宽度大于0.2mm。
原因分析：边跨拱肋结合缝及拱上立柱垫梁裂缝说明装配式拱箱之间横向联系不可靠，在立柱的传力位置未形成全截面共体受力模式。
2）振动测试表明，桥梁振幅较大，推算出的冲击系数达0.206。桥梁过大的冲击一方面在很大程度上降低了结构的安全储备，另一方面也容易导致拱肋结构的疲劳损伤，引发结构开裂。
原因分析：一是横梁均放置于立柱顶部盖梁的橡胶支座上，二是上下游拱肋横向联系欠缺。
2.2 主跨钢管混凝土中承式拱桥
1）吊杆锚头存在黄油偏少现象。
原因分析：为钢管混凝土拱的通病。
2）钢结构表面局部区域存在锈蚀。
原因分析：为养护不当所致。
3）钢管大部分区域有混凝土脱空声响.
原因分析：为钢管混凝土拱的通病。
2.3 横梁
1）部分横梁梁底、梁侧出现裂缝。
原因分析：由于位置离散性较大，为非结构裂缝，为施工期浇筑及养护不当所致。
2）个别横梁出现局部破损、浇筑不密实及不平整。
原因分析：为施工期浇筑及养护不当所致。
3）横梁端部防落限位钢管均锈蚀严重。
原因分析：为养护不当所致。
2.4 下部结构
1）主拱拱座下游八字形裂缝，宽度0.83mm，深度1.45m。背面出现竖向裂缝3条，水平裂缝4条，最大宽度0.3mm。
原因分析：拱座位置内力复杂，八字形裂缝为受力裂缝，其形成原因应为强外力（如5.12地震或长期超载车辆运行）导致拱脚产生过大的弯矩，外加拱座位置配筋不够强大，最终形成混凝土表面开裂。
图2 拱座裂缝示意图
2）桥台及桥墩多存在豎向裂缝。
原因分析：由于位置离散性较大，为非结构裂缝，为施工期浇筑及养护不当所致。
3）桥台前墙中下部混凝土剥落明显，大小约为0.5m×0.5m。
原因分析：为施工期浇筑及养护不当所致。
3. 加固方案
综合考虑该桥的病害情况与加固经济效益，加固方案如下：
3.1 边跨上承式钢筋混凝土箱肋拱桥
1）对所有裂缝予以封闭，防止内部钢筋锈蚀。
2）在每片立柱两侧位置，采用"体外预应力"对拱肋进行加固，增强装配式拱箱之间的横向联系。
图3 "体外预应力"加固拱肋
3）在立柱横梁间增设H型钢纵梁，形成纵横格子体系，增加结构整体性。
图4 立柱（吊杆）横梁间增加H型钢纵梁
4）在各边跨拱肋之间增加设轻型钢桁架横撑，增加结构整体性。
图5 拱肋之间增加设轻型钢桁架横撑
5）混凝土剥落位置采用环氧砂浆找平。
6）在跨中拱腹30m范围粘贴1～2层碳纤维布，在拱脚拱顶5m范围粘贴2层碳纤维布。
3.2 主跨钢管混凝土中承式拱桥
1）吊杆锚头补充油脂。
2）钢结构表面局部区域除锈后重新涂装。
3）对钢管内砼脱空具体部位及面积大小应进一步核实，采用超声波对管内砼脱空进行检测，并根据检测脱空率，在脱空处对钢管钻孔，压入高强度纯水泥浆液填充密实。
4）吸取同类型桥梁的经验教训，为防止吊杆脱落时发生桥面垮塌，在吊杆横梁间增设H型钢纵梁，既可在吊杆脱落时支撑桥面系，又可形成纵横格子体系，增加结构整体性。
3.3 横梁
1）对所有裂缝予以封闭，防止内部钢筋锈蚀。
2）对破损及不密实部位混凝土浮渣予以清除，采用环氧砂浆填补平整。
3）横梁端部防落限位钢管除锈后涂刷防锈漆，对破损严重处则予修复。
4）增加钢箱纵梁时在横梁支撑位置粘贴的钢板可以提高横梁的抗剪切能力，因此该钢板的设计需同时考虑纵梁及横梁的需要。
5）作为主要受力构件，为确保在长期的服务时间内不因预应力松弛、桥面过载等因素造成灾难性的后果，对横梁底面纵向粘贴碳纤维1层进行预加固处理。
3.4 下部结构
1）对所有裂缝予以封闭，防止内部钢筋锈蚀。
2）对各主拱拱座区域整体采用外包钢筋混凝土加固。
3）桥台前墙中下部混凝土剥落位置采用环氧砂浆找平。
图6 拱座外包钢筋混凝土加固
4. 加固效果
通过对上述加固建模计算，主拱钢管加固后应力最大增幅为9.8MPa，混凝土的加固后应力最大增幅为1.1MPa。加固后，钢管的最大应力为159.7MPa，小于规范最大应力210MPa，满足要求；混凝土最大压应力为22.9MPa，考虑到钢管的套箍作用，承载力有很大提高，该加固方案可行。
该桥加固施工完成后，进行了桥梁静载、动载荷载试验，从试验结果可得出：该桥在加固后，较原桥受力状况发生显著改善，达到了预期的加固效果。通过对比试验数据与计算数据，两者基本一致，证明了该桥计算理论是正确的，加固方案是有效的。
5. 结语
拱桥的类型多种多样，不同的结构类型，病害表现有所不同，产生的原因也有很大的不同。處理病害的方法手段也是多种多样，在实际工程中，需要针对不同问题进行具体分析，针对病害情况与加固经济效益做出研究，以获得显著的加固效果。
本文可对同类桥梁的维修加固提供参考。
参考文献：
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