早期双曲拱桥现状结构受力性能分析
2022-05-07查文斗
查文斗
(合肥市规划设计研究院,安徽 合肥 230041)
0 引 言
双曲拱桥将主拱圈以“化整为零”的方法按先后顺序进行施工,再以“集零为整”的方式组合成整体,充分发挥了预制装配的优点,无须拱架施工,工料耗费较少,施工难度降低,施工进度较快。限于当时设计水平和荷载标准偏低,拱肋等主要承重构件配筋偏少,双曲拱桥存在横向联系能力较弱及截面整体性差等先天不足,随着交通量和荷载等级的不断提高,大部分双曲拱桥出现了不同程度和不同类型的病害,特别是早期建设的双曲拱桥,需要维修加固或拆除改建。
如果将仍能发挥作用的双曲拱桥拆除重建,不仅需要投入大量的建设资金,还会对交通正常运营带来比较严重的影响,破坏城市景观,造成不良的社会影响。现存双曲拱桥是采用限载限行、维修加固还是拆除重建方案,需要仔细研究、慎重决策,而桥梁承载能力评定结果是决定采用何种方案的基础依据。
1 老桥原结构概况
安徽省合肥市庐阳区阜阳路桥位于阜阳路跨越南淝河处,北接沿河路,南接环城北路,由中间一幅老桥与两侧新桥组成。中间老桥建成于1976年12月,两侧新桥为2007年进行的拓宽改造。老桥桥龄已超过45年,是合肥最早的双曲拱桥。
1.1 总体
阜阳路桥(老桥)采用主跨为净跨50 m双曲拱、边跨为净跨17.6 m肋拱的三跨高低拱结构拱桥。桥梁总长89.6 m,桥面全宽20.45 m,桥面布置为:0.225 m(护栏)+2.5 m(人行道)+15 m(行车道)+2.5 m(人行道)+0.225 m(护栏),双向四车道。桥梁原设计荷载为汽车—15级、挂车—80级。
1.2 上部结构
阜阳路桥(老桥)共三跨,主跨为净跨50 m的双曲拱,矢跨比为1/8、矢高6.25 m,拱肋制作安装时考虑15 cm的预拱度;边跨为净跨17.6 m的肋拱,矢跨比为1/10。
主跨主拱圈由拱肋、预制拱波和现浇拱波组成,主拱圈为7肋6波,肋距2.8 m,主拱圈截面高度为1.0 m。主拱圈拱肋横向分为边肋和中肋,采用倒T形断面,其中边肋截面高70 cm,中肋截面高60 cm,拱肋采用m=1.756的悬链线拱曲线。为增强拱肋稳定性和整体受力,拱肋之间设置框架式横梁。边跨为7肋低拱,肋距2.8 m,采用工字形断面,边肋与中肋均高70 cm,边跨采用圆弧拱曲线,边跨拱肋之间通过实体横梁进行连接。
拱上建筑均为跨径4 m(柱中距)的连续梁加立柱构成,立柱通过底座横墙支承于主拱圈上,桥面系为矢跨比1/12.5的6 cm厚预制微弯板加9 cm厚现浇混凝土。人行道宽2.725 m,采用预制装配式结构。
1.3 下部结构
由于受施工力量和工期限制,桥墩采用了顺桥向宽2.5 m、横桥向长20 m、高3.5 m的轻型整体盒子式毛石混凝土扩大浅基础。为保持基础前后平衡,将基础最前缘做成空盒子(留空不覆土),后缘盒子填满土;为调整北岸基础东、西基底压应力,保证地基均匀沉降,将北岸基础西半基底加宽2 m、东半基底减窄0.8 m。桥台为顺桥向宽4 m、横桥向长25 m、高12.5 m 的护壁式轻型桥台,与桥墩基础紧贴(贴缝隔以2层油毡),形成墩台既相互分离又成一个整体,竖向力各自独立承担,水平力可以传递。为防止桥台在边拱推力作用下向后产生较大位移,在桥台背墙顶部砌筑5道纵向抗滑墙以撑住台顶。
2 2007年加固改造设计要点
阜阳路桥(老桥)在2007 年进行了拓宽改造,取消了两侧人行道,桥面布置调整为:0.5 m(护栏)+17.4 m(行车道)+0.5 m(护栏),桥面全宽18.4 m。加固改造后,阜阳路桥(老桥)桥面拓宽为双向六车道。主要改造内容如下。
2.1 主拱圈、边拱
采用增大截面尺寸的方法对主拱圈、主拱肋进行补强,在主拱圈的拱肋下缘外包钢筋网并现浇10 cm 厚C40混凝土以加大拱圈截面。
边拱的拱肋下缘外包钢筋网并现浇15 cm厚C40混凝土,在桥墩6 m范围内边拱的拱肋上缘现浇10 cm厚C40混凝土,以增大边拱截面。
2.2 拱波及横向联系
为加强拱肋间的横向作用,提高拱肋的整体受力效果,对于中跨双曲拱桥,在空腹段拱波顶部现浇10 cm厚C40混凝土,同时拱波下横隔板由原镂空式改造为实体式板,以加强拱肋间的横向整体性,使主拱圈全宽度共同受力。对于边跨肋式拱,通过增大拱肋间横梁的尺寸,以加强拱肋间的横向整体性。
2.3 拱上立柱及边跨纵梁
采用粘贴碳纤维布的方式对立柱及纵梁进行补强加固。
2.4 纵梁及微弯板
对裂缝进行封闭处理。
2.5 人行道板
原人行道全部凿除,植筋现浇C40混凝土挑臂,增设混凝土护栏,对桥面行车道进行重新布置。
2.6 其他
桥面铺装重新铺装,增设35 cm厚桥头搭板。
3 结构检算
3.1 检算的基本原则
本次承载能力检算时除了满足现行《城市桥梁检测与评定技术规范》等相关标准的要求外,还应符合以下要求:检算时宜采用现场实测原构件结构尺寸、线形及材料强度作为计算参数;检算时应考虑拱上建筑联合作用;检算的荷载、材料指标等应分别根据实际情况按照新、老规范采用。
3.2 主要构件尺寸和材料指标
主要构件尺寸按照2007年加固改造的设计(竣工)图纸确定,并结合现场实测校核;主要构件的混凝土均采用C30,带肋钢筋采用HRB335,光圆钢筋采用R235,技术指标根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)取值。
3.3 结构约束条件
拱脚约束均采用铰接;拱肋与拱波、横梁、排架立柱之间,排架纵梁、横系梁和桥面板之间通过钢筋搭接、浇筑混凝土湿接缝进行连接,均为刚性约束。
3.4 检算结果
上部结构的各个构件采用同豪桥梁博士V4.2建立三维空间模型进行检算。三维空间模型如图1所示。
图1 上部结构三维空间模型示意图
3.4.1 主拱
中跨主拱的强度、刚度和裂缝宽度均满足规范要求,如图2所示;边跨主拱的正截面承载力、刚度和裂缝宽度满足规范要求,如图3所示,但拱脚附近的斜截面抗剪承载力不满足规范要求。
图2 中跨主拱最大弯矩及其对应的抗力图
图3 边跨主拱最大弯矩及其对应的抗力图
3.4.2 立柱
所有立柱的正截面承载力均不满足规范要求,且中跨拱脚处的边立柱(长柱)的柱底裂缝宽度不满足规范要求。
3.4.3 横梁
所有横梁的正截面承载力、刚度均满足规范要求,但拱脚附近的横梁斜截面抗剪承载力和裂缝宽度不满足规范要求。
3.4.4 纵梁
边纵梁和中纵梁的强度、刚度、和裂缝宽度均不满足规范要求。
3.4.5 墩台地基承载力
墩台地基承载力均满足规范要求。桥墩的抗滑动稳定性验算不能满足规范要求,但桥墩基础直接与桥台紧贴、受到桥台纵向约束,可以认为桥墩的抗滑动稳定性满足要求。
4 结束语
阜阳路桥(老桥)建成至今已超过45年,对于双曲拱桥来说桥龄已经较长,无论是结构材料还是结构本身都可能存在一定程度的劣化,基本已达到原定设计基准期。若桥梁使用年限超过设计基准期,结构失效概率可能会增加。另外,本桥结构原设计时就明确提出本桥是以客车、行人和一般货运为主,重车不得从该桥通过,因此该桥荷载标准当年定为汽车—15 级,受限于当年的施工和经济条件,材料指标、构件尺寸和钢筋配置均进行了比较充分的优化,而且又在2007年进行了加固改造,再加固难度将加大,为保证桥梁运营安全,建议有条件时对该桥择机进行改建。