上承式拱橋病害及加固探討
2015-06-01
我國(guó)的橋梁建設(shè)在經(jīng)歷多年的快速發(fā)展后取得了巨大的成就，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，在未來10～20年內(nèi)，新建橋梁工程將逐漸減少，橋梁的養(yǎng)護(hù)、維修、加固及改造工程將逐漸成為主流。將有大量的橋梁或多或少地出現(xiàn)不同的病害。拱橋是橋梁改造加固中數(shù)量最多的一種橋型。本文將以鋼筋混凝土板拱、肋拱及箱形等上承式拱橋?yàn)槔?，以理論結(jié)合實(shí)際方法探討其病害及加固方法。
一、鋼筋混凝土板拱、肋拱及箱形拱橋常見病害
上承式拱橋，其組成主要有主拱圈及拱上建筑，拱上建筑包括腹孔（拱式腹孔或梁板式腹孔）、腹孔墩（立柱或橫墻）、橋面板、填料、側(cè)墻、橋面系等，視何種腹孔而定?？鐝娇尚】纱?，小的10幾米，大的如箱形肋拱可達(dá)420米，構(gòu)造形式繁多，花樣多變，但很多病害現(xiàn)象大致相同。
主拱圈的拱頂下緣及側(cè)面橫向裂縫及拱腳上緣及側(cè)面的橫向裂縫
這主要是這兩個(gè)截面的抗彎強(qiáng)度不足，其具體原因較多，如尺寸偏小，配筋不足，拱軸線不合理、墩臺(tái)不均勻沉降或向路堤方向滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)、超重車影響、整體性差、施工質(zhì)量差等引起[1]。如果裂縫的上、下緣位置與上述相反，常為墩臺(tái)向橋孔方向滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。
主拱圈（板拱圈）或腹拱圈出現(xiàn)縱向裂縫
下圖2，常伴有墩、臺(tái)帽或帽梁縱向裂縫，如果裂縫大致居中，可能是墩、臺(tái)基礎(chǔ)的上、下游不均勻沉降引起，如果只是邊拱箱接縫處開裂，一般是接縫的連接不好，整體性差，偏載作用下邊拱箱受力變形較大引起。
3.主拱圈局部出現(xiàn)混凝土碎裂，脫落等破壞現(xiàn)象
這類病害一般出現(xiàn)在壓應(yīng)力較大的地方，如邊角處、等截面拱圈的拱腳附近等，材料的抗壓強(qiáng)度不夠，引起劈裂或壓碎，或者是內(nèi)部鋼筋生銹膨脹所致。
4．拱上排架、梁、柱開裂
特別是短柱兩端開裂壓碎，靠墩、臺(tái)或?qū)嵏苟蔚母构叭Φ墓澳_、拱頂開裂經(jīng)側(cè)墻到橋面，側(cè)墻與拱圈連接處脫離及側(cè)墻的其它裂縫，主要原因?yàn)槎讨案构叭ξ丛O(shè)鉸，相應(yīng)位置的側(cè)墻及橋面未設(shè)變形縫，在主拱圈變形或墩臺(tái)位移作用下拉裂。
此外，下列一些病害也較常見。
主拱圈拱腳處的徑向裂縫，這主要是材料抗剪強(qiáng)度不足引起的；還有就是雙曲拱橋的拱波頂出現(xiàn)縱向裂縫或拱肋與拱波連接處環(huán)向開裂，多為各肋間橫向聯(lián)系弱，整體性差，橫截面的組合不合理，墩臺(tái)橫向不均勻沉降等所致。橋面縱向裂縫，常伴有橫向聯(lián)系豎向開裂，特別是跨中橫向聯(lián)系開裂嚴(yán)重，說明橋梁的橫向整體性差，荷載橫向分布不好；主拱圈采用分段預(yù)制拼裝時(shí)，接縫處也可能出現(xiàn)裂縫[2]；拱肋采用鋼管混凝土?xí)r，鋼管表面可能會(huì)出現(xiàn)收縮狀褶皺，或管內(nèi)有空洞、離析，常為鋼管厚度不足，套箍作用部分散失，以及鋼管格構(gòu)布置不合理，管壁加勁肋不足等引起。二、上承式拱橋常見病害加固方法
?。?）因主拱圈為偏心受壓構(gòu)件，如果出現(xiàn)拱頂、拱腳橫向開裂或局部壓碎，最好采用從拱腹面或拱背面增大截面的方法加固，如鑿毛原混凝土表面、植筋和布筋后澆筑混凝土或噴射混凝土，特別是拱腳處裂縫，需要在墩臺(tái)帽中植入鋼筋，再增大拱腳段截面。其次可采用粘貼鋼板或纖維復(fù)合材料，但應(yīng)注意拱腹粘貼材料過長(zhǎng)，受彎后產(chǎn)生徑向撕裂作用的問題。在中、小跨徑拱橋中還可考慮體外預(yù)應(yīng)力加固，但應(yīng)考慮對(duì)其它部位的影響[3]。還可采用減輕拱上建筑自重，如更換填料、或挖除填料及側(cè)墻改拱式腹孔為全空腹式梁板腹孔來減輕主拱圈負(fù)擔(dān)，但主拱軸線形有所變化，應(yīng)注意驗(yàn)算。如果是墩臺(tái)位移引起的病害，且還在繼續(xù)發(fā)展，則應(yīng)先加固墩臺(tái)，消除病因。
?。?）對(duì)主拱圈或腹拱圈出現(xiàn)的縱向裂縫，墩、臺(tái)帽縱向裂縫及墩、臺(tái)身豎向裂縫，如裂縫繼續(xù)發(fā)展，則須先加固基礎(chǔ)及其它下部結(jié)構(gòu)，拱圈裂縫應(yīng)視縫寬大小，采用灌漿封閉，增大截面，橫向粘貼鋼板或纖維復(fù)合材料。或增設(shè)多道鋼箍，并盡量做成封閉箍，或通過鋼拉桿，施加橫向預(yù)應(yīng)力等方法加固。 （3）對(duì)雙曲拱橋拱波頂或拱肋與拱波連接處的縱向裂縫，應(yīng)加強(qiáng)或增設(shè)橫向聯(lián)系，增大拱肋或拱板截面或者增加拱肋數(shù)量，減輕拱上建筑自重，如更換腹拱和實(shí)腹段的填料，改橫墻式腹孔墩為立柱式腹孔墩，改拱式腹孔為梁板式腹孔等。如果是墩、臺(tái)橫向不均勻沉降引起的開裂，則應(yīng)先加固地基；
（4）對(duì)拱上矮立柱上下端裂縫，最好改成縮頸鉸，讓它能適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)，見下圖4，對(duì)于靠近墩臺(tái)及實(shí)腹段的腹拱圈拱腳或拱頂裂縫，如果裂縫較寬至斷裂或兩側(cè)有明顯高差，則要考慮折除重建為三鉸或兩鉸腹孔，否則可暫不管它，但相應(yīng)位置處側(cè)墻及橋面的變形縫要設(shè)置好，不然會(huì)漏水。
（5）對(duì)橋面縱向開裂及橫向聯(lián)系豎向裂縫，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的橫向整體性，如加大或增加橫梁，結(jié)合翻新橋面，適當(dāng)加厚混凝土鋪裝層厚度、提高標(biāo)號(hào)、增強(qiáng)橋面橫向配筋，有填料的拱橋，將填料挖除并改為現(xiàn)澆混凝土等方法加固；
?。?）對(duì)拱頂下?lián)线^多，底面橫向開裂的拱橋，可采用體外預(yù)應(yīng)力索在拱圈彈性中心以下部位的拱背上設(shè)錨座張拉，使拱頂產(chǎn)生負(fù)彎矩及反拱度，但拱腳處也同時(shí)產(chǎn)生負(fù)彎矩，應(yīng)加大拱腳段截面來處理，體外索的具體位置及張拉力大小應(yīng)根據(jù)拱圈內(nèi)力（主要是彎矩） 的變化反復(fù)試算后確定；
三、雙曲拱橋加固實(shí)例
1．大橋概況
樂鄉(xiāng)關(guān)大橋是襄沙公路鐘祥市境內(nèi)一座獨(dú)立大橋，該橋?yàn)樯鲜兰o(jì)70年代初期修建的3孔凈跨徑40m雙曲拱橋，主拱圈為等截面懸鏈線無鉸拱（拱圈全寬為10.52m），橋面凈寬為凈－9+2×1.0m人行道，凈矢跨比f0/l0=1/7，拱軸系數(shù)m＝2.24。設(shè)計(jì)荷載為汽車－20級(jí)，驗(yàn)算荷載為掛車－100。2002年10月，由于三峽工程建設(shè)的需要，有一批大型變壓器由公路橋式車組（總重達(dá)398噸，簡(jiǎn)稱“特種荷載”）運(yùn)輸通過該橋，而且時(shí)間非常緊迫，為了保證橋梁能安全通過該特種荷載，需對(duì)橋梁進(jìn)行調(diào)查、驗(yàn)算與加固。為了全面了解橋梁受力情況，在確定加固方案之前，分別按連拱和固定拱計(jì)算了特種荷載對(duì)主拱圈控制截面的影響，其結(jié)果是：拱腳截面特種荷載產(chǎn)生的彎距明顯大于設(shè)計(jì)荷載及驗(yàn)算荷載產(chǎn)生的彎距，拱頂及其它截面均可滿足特種荷載通行要求，因此得出該橋主要是加強(qiáng)拱腳段截面的結(jié)論。
2．加固方案
為了有效地加強(qiáng)拱腳截面，采用鋼筋混凝土加強(qiáng)拱背的方法。加強(qiáng)拱背的現(xiàn)澆鋼筋混凝土，在拱腳截面處厚度為40cm，在2號(hào)腹拱墩處厚度為20cm，其間逐漸變化。
主筋①（縱向鋼筋）為直徑16mm的Ⅱ級(jí)鋼筋，間距為20cm。穿過腹拱墩并錨入拱座內(nèi)50cm.
分布鋼筋②（橫向鋼筋）為直徑10mm的Ⅰ級(jí)鋼筋，間距一般為50cm。
錨固鋼筋③（按徑向布置）植于拱肋的上面，增強(qiáng)新老混凝土的聯(lián)結(jié)，也起著架立鋼筋的作用。
腹拱因跨徑小，通過特種荷載可不用加固。下部構(gòu)造基礎(chǔ)穩(wěn)固，加固上部構(gòu)造增加重量不多，在特種荷載作用下按連拱計(jì)算時(shí)墩臺(tái)均無需加固。
3．力學(xué)機(jī)理及加固效果
采用圖6的方法加強(qiáng)拱腳，可顯著增大拱腳區(qū)段的截面剛度，在受力方面，有變截面無鉸拱的特性。與等截面無鉸拱比較，變截面無鉸拱拱腳的負(fù)彎矩隨拱腳剛度的增加而增大，對(duì)拱頂?shù)恼龔澗嘤?ldquo;卸載”的作用，即拱腳剛度愈大，拱頂?shù)恼龔澗嘤?。因此按圖6的辦法在加強(qiáng)拱腳這個(gè)控制截面的同時(shí)，實(shí)際上也幫助了拱頂截面，即減少了拱頂截面的正彎距。利用拱頂彎矩影響線同樣也可看出加強(qiáng)拱腳后，控制拱頂截面強(qiáng)度驗(yàn)算的正彎矩實(shí)際是減小的。因此這種加固方法有利于改善拱腳、拱頂兩個(gè)控制截面的受力狀態(tài)，提高拱橋的承載能力。
由拱圈上部加固具有速度快、質(zhì)量好、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。本橋是因?yàn)橹恍枰訌?qiáng)拱腳部分，故拱圈只加強(qiáng)到第二腹拱墩。如果空腹拱部分的主拱圈都需要加強(qiáng)，可根據(jù)需要用混凝土或鋼筋混凝土加強(qiáng)整個(gè)空腹拱部分的主拱圈，同樣可得到滿意的效果。
