预应力钢拱承托法在双曲拱桥加固中的应用

2016-08-12张中献遵义市公路工程质量检测中心贵州遵义563000

低碳世界 2016年14期

张中献（遵义市公路工程质量检测中心，贵州　遵义　563000）

预应力钢拱承托法在双曲拱桥加固中的应用

张中献（遵义市公路工程质量检测中心，贵州遵义563000）

双曲拱桥因为其自身结构的缺陷导致其容易出现横向联系薄弱、整体结构性能差及拱肋易开裂等问题，加上后期养护不足，使得在运行过程中会出现不同程度的损坏。双曲拱桥的加固方法众多，本文结合某双曲拱桥的加固实例，对预应力钢拱加固法的加固效果进行研究，得出相关结论，可为类似工程提供参考。

双曲拱桥；加固方法；预应力钢拱

1　引言

20世纪60年代，我国江苏人民创造了双曲拱桥结构，该结构造价低，施工便捷，且外形美观，成为了当时桥梁工程中比较常见的拱桥形式。但因其存在着横向联系薄弱、整体结构性能差及拱肋易开裂等先天不足，又因养护不力等因素影响，都在运营后出现了不同程度的病害，需要采取一定的加固处理。

2　工程背景

某座建于20世纪70年代的钢筋混凝土双曲拱桥，跨径20.4m，矢高3.9m，桥面宽10.65m，横向5肋4波，拱肋间距为2.35m，根据现场回弹检测，混凝土强度达到25号。根据现场调查，该桥的主要病害有：拱肋下部出现顺筋裂缝，裂缝宽度在0.5～2mm不等，长度在0.5～3m，拱波出现波顶裂缝，横向系梁根部出现不同程度的露筋，腹拱开裂严重，严重危及桥梁的安全运营。

3　桥梁分析

3.1拱轴曲线方程

根据原有资料得到主拱圈的主要几何参数：拱轴系数m= 1.347；拱轴计算跨度L=16.473m；拱轴计算矢高f=2.783m。

拱轴按悬链线曲线方程为：

通过实测数据对比，上述拱轴曲线方程与实际较为吻合。若取拱轴系数为1，则可用二次抛物线作为拱轴曲线方程，本例中若采用二次曲线作为拱轴方程也与实测基本吻合，计算也较为简单。

3.2荷载计算及拱圈内力分析

主拱圈的加固是本次桥梁加固的关键所在，在内力分析之前，需首先确定拱轴所承受的荷载，该荷载分为永久荷载和可变荷载两种。在计入荷载分项系数和影响线得到了主拱圈的控制截面内力。

（1）永久荷载。永久荷载包括桥面结构的面层、桥面板、盖梁、拱波板、填充层、小立柱、主拱圈自重等。为使桥梁满足加固后的承载要求，上述所有构件均应按加固后的预选截面计算，其中，桥面自重标准值约为30．3kN/m2，主拱圈自重荷载约为10kN/m，考虑相邻拱肋中心距为1．93m，故折算到单个拱圈上的水平线载标准值约为：

（2）可变荷载。本次加固的桥梁可变荷载分为汽车荷载和人群荷载，其中汽车荷载分布于车道范围，人群荷载分布于人行道之间。考虑人群荷载远小于车道荷载，选取一个主拱圈计算时，仅计算车道荷载的主拱圈，所有主拱圈均按相同截面和配筋设计。本次汽车荷载按公路——Ⅰ级考虑，车道荷载的均布荷载为 qk=10．5kN/m，集中荷载按内插计算得到 pk= 185．9kN。本次为双向行驶两车道，横向分布折减系数为1，折算到单个拱圈上的车道均布荷载标准值和集中荷载标准值分别为：

（3）主拱圈控制截面内力。因主拱圈与支座的关系从现场实际来看难以准确地归为铰支或固接，为保证加固后的安全，按支座铰支和固接两种情况均能满足的要求进行内力分析和加固改造设计。

拱圈的控制截面按支座、跨中和1/4跨处考虑，以减少计算工作量。主拱圈的内力的设计值计入了内力分项系数，剪力设计值计入了车道集中荷载的1．2放大系数。集中荷载计入的是按影响线产生的最大内力。弯矩以拱下受拉为正，轴力以受压为正。

4　加固方案及分析

4.1主拱圈

拱肋是双曲拱桥的重要承重构件，也是加固的重点位置，在对混凝土表面的缺陷、钢筋外露锈蚀、裂缝处理等进行处理和修补，本次工程采用的提载加固方法，尽量减少加固结构自身重量，弱化其对于原结构造成的影响，使得原结构的应用力不平衡。在加固阶段，也要注重对原结构的保护，后加固结构要和原结构协同工作，可以在加固以后共同参与受力。经过方案比选，本次工程采用的预应力钢钢承托法加固拱肋，对新增的钢拱轴向施加预应力，从而使得原主拱结构卸载，达到加固的最终目的，如图1所示。

图1　主拱圈加固示意图

4.2其他加固

①全部拱波微弯板底部都需要喷射混凝土，有纵向裂缝的部位要使用粘贴碳纤维布进行加固；②桥中腹拱立墙竖向裂缝的击鼓方法是在其外部包裹两层碳纤维布；③腹拱的加固是在其底部粘贴热轧轻型槽钢；④基础采用扩大截面法，同时综合钢化管注浆进行加固。

4.3预应力钢拱承托加固施工

①原拱肋混凝土表面处理：需要先凿除混凝土表面上破损的地方，再对钢筋以及混凝土表面进行彻底清理，再使用高强度环氧砂浆对损伤部位进行修补，拱座用混凝土包裹；②主拱轴线实测；③钢板及钢构件放样、加工制作，钢构件加工结束之后需要先喷砂除锈，然后涂刷一层防锈底漆；④主拱根部植筋，焊接固定加固支座；⑤钢骨架吊装、焊接；⑥焊接千斤顶支撑钢板，施加预应力，焊接钢套筒，拆除千斤顶；⑦钢骨架顶面焊接钢板与主拱锚固连接，对拱肋与钢骨架空隙处灌注环氧砂浆；⑧全部钢骨架顶推焊接结束之后完成焊接钢板横向联系；⑨对拱脚位置包裹5cm混凝土，保护顶推处钢骨架，对其他位置钢骨架进行喷砂处理。

5　施工监控

为保证桥梁加固施工过程中的安全，施工过程中对以下几个方面进行了监控：原混凝土拱的内力、新加钢拱的内力、拱脚处水平位移、关键截面的挠度。

同时，在加载过程中，还要对有无新裂缝产生进行跟踪观测，已有裂缝是否扩大。根据监测数据，在顶推过程中，控制测点应力值小于计算值并且未达到或超过按规范安全条件反算的控制应力；拱脚处的水平位移或者拱肋的挠度也没有超过允许值；施工加载未使结构出现非正常的受力损伤或局部发生破坏，结构裂缝的长度、缝宽没有明显的增加，没有新裂缝出现。千斤顶在拱脚处施加的外力总和为823.3kN。在1/4拱肋处钢拱承受的平均轴向压力仅为为80.81kN，所以拱脚至1/ 4段的拱圈承受了338.34kN的拉力，即主拱圈轴向压力减少338.34kN，平均56.39kN，占施加顶推力的41.1%。可见采用钢拱的顶推加固起到减小主拱内力的作用。加固后拱肋的内力储备得到大大地提高。

6　荷载试验

为了验证加固施工的效果，进行了桥梁加载试验。加载车辆采用了总重38t的三轴车辆。为使加载量不低于公路-Ⅰ级的荷载标准，采用同时布置四车且采用车尾对车尾的布载方式。加载过程中主要进行了主拱肋的应力、应变测试、挠度变形测量。并对加固前后的桥拱自振频率进行了实测。载荷试验表明，主拱竖向位移较小，与理论计算较为吻合；主拱肋压应力远低于所采用的灌浆料的抗压强度；加固前后对比，桥拱自振频率由原来的6．015Hz变为9．668Hz。这些说明桥梁刚度及整体性有较大提高，承载力显著增强。