水磨大橋加固方案及計(jì)算分析
2015-07-13
1 工程概況
水磨大橋位于云南省魯?shù)榭h境內(nèi)，其為龍樹至梭山公路托麻段跨越龍樹的一座橋梁，中心樁號(hào)K5+035，建于1993 年。該橋是當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和兩岸居民生產(chǎn)生活的重要交通要道。橋梁全長(zhǎng)68.4m，橋面全寬8.5m，橫向布置為0.75m(人行道)+7m(行車道)+0.75m(人行道)。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽-20，掛-100。
該橋主跨為一孔 40m 的等截面懸鏈線空腹式石拱橋，拱軸系數(shù)m=2.240，矢跨比為1/6，拱圈厚度0.9m，拱圈寬8.5m，采用10 號(hào)水泥砂漿砌50 號(hào)塊石。主拱拱座為25 號(hào)混凝土。主拱上部每邊設(shè)腹拱三孔。每孔腹拱凈寬3.0m，厚0.3m，凈矢高0.5m，腹孔墩厚0.8m，兩端邊腹孔為三鉸拱。橋面鋪裝為水泥結(jié)礫石路面，抹平層厚0.3m，橋面橫坡3%。兩側(cè)橋臺(tái)均采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，石砌U型橋臺(tái)。為了增加泄洪能力，梭山岸橋臺(tái)增設(shè)一孔8.0m 的引橋，為圓弧線實(shí)腹式石拱橋，矢跨比為1/3，拱圈厚度0.5m，寬8.5m。采用10 號(hào)水泥砂漿砌50 號(hào)塊石。
水磨大橋建成至今已運(yùn)營(yíng)二十多年，現(xiàn)已出現(xiàn)了不同程度的病害。為確保橋梁的安全性、適應(yīng)性和耐久性，保證橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全，需對(duì)水磨大橋進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)狀況評(píng)定，必要的話還需要對(duì)該橋進(jìn)行加固。
2 水磨大橋現(xiàn)狀及病害分析[1-2]
2. 1拱圈滲水、局部空洞
拱圈砌縫局部有砂漿脫落和空洞現(xiàn)象，局部滲水泛白；腹拱局部滲水泛白，梭山岸第一個(gè)腹拱變形縫有一定程度張開；引孔多處滲水泛白。拱圈滲水的主要原因是路面破損嚴(yán)重，且橋面排水不暢，路面積水下滲到拱上填料，后通過(guò)拱圈滲出。
2.2橋面鋪裝
橋面鋪裝大面積破損、粗骨料裸露，存在多處大面積坑槽。經(jīng)分析橋面鋪裝破損的主要原因是車輛荷載的作用、拱上填料不密實(shí)、溫度變化及雨水沖刷的影響。
2.3臺(tái)后填土沉降
該橋龍樹岸橋臺(tái)臺(tái)后填土存在一定的沉降，搭板局部凹陷。主要原因應(yīng)是橋臺(tái)施工時(shí)填土不密實(shí)，荷載的長(zhǎng)期作用下填土逐步壓實(shí)、沉降。此外搭板破損，路面積水下滲也導(dǎo)致了臺(tái)后填土的沉降。
2.4路面排水不暢
該橋橋跨范圍內(nèi)護(hù)欄附近大量泥土堆積，泄水孔全部堵塞，嚴(yán)重影響了路面的排水，導(dǎo)致坑槽處積水。
3結(jié)構(gòu)計(jì)算分析
3.1 計(jì)算參數(shù)
采用橋梁博士分析軟件對(duì)該橋進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算模型的主要參數(shù)如表1所示。
表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算采用的主要參數(shù)
構(gòu)件 材料 彈性模量E（MPa） 抗拉強(qiáng)度f(wàn)cd（MPa） 抗拉強(qiáng)度f(wàn)td（MPa） 容重（kN/m3）
主拱 M10砂漿砌MU50塊石 7300 3.85 0.073 24
腹拱 M10砂漿砌MU40塊石 7300 3.44 0.073 24
拱上立墻 M7.5砂漿砌MU40塊石 5650 3.09 0.073 24
因該橋所處路段，偶爾有重型車輛通過(guò)，其由牽引車和掛車組成，車輛全長(zhǎng) 18.392m，總重1030KN，因此該橋承載力計(jì)算分析時(shí)將對(duì)設(shè)計(jì)荷載和上述特殊荷載進(jìn)行驗(yàn)算。
3.2拱圈的面內(nèi)穩(wěn)定與強(qiáng)度
根據(jù)各單項(xiàng)荷載組合結(jié)果，得出各關(guān)鍵截面的最不利控制荷載組合，正截面受壓強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果如表2 所示。
表2 水磨大橋主跨主拱圈關(guān)鍵截面強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果
截面 計(jì)算工況 計(jì)算內(nèi)力 正截面強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度
軸力（kN） 彎矩（kN*m） 剪力（kN） 偏心距離值 Nj 結(jié)論 Vj 結(jié)論
拱腳 最大彎矩 18973.5 619.6 -770.6 e<0.6s 26095.0 P 6827.1 P
最小彎矩 18485.4 -2868.0 332.4 e<0.6s 19535.5 P 6664.4 P
最大軸力 19585.9 -610.5 -578.7 e<0.6s 26131.1 P 7031.3 P
L/4 最大彎矩 16044.9 1396.0 682.7 e<0.6s 23834.1 P 5850.9 P
最小彎矩 16328.6 -437.9 535.3 e<0.6s 26227.8 P 5945.5 P
最大軸力 17030.1 269.3 721.7 e<0.6s 26409.4 P 6179.3 P
拱頂 最大彎矩 16272.4 346.8 91.9 e<0.6s 26330.1 P 5926.8 P
最小彎矩 13953.4 230.9 153.7 e<0.6s 26400.2 P 5153.7 P
最大軸力 16664.4 -543.2 -61.5 e<0.6s 26096.4 P 6057.4 P
注：表中“”表示滿足規(guī)范要求，“”表示不能滿足規(guī)范要求。
由上表可知，在最不利荷載組合下，主跨主拱圈拱腳截面在最小彎矩工況下正截面強(qiáng)度不能滿足規(guī)范要求。經(jīng)計(jì)算分析，引孔拱圈拱腳同樣存在強(qiáng)度不足的問(wèn)題。可見(jiàn)，需對(duì)水磨大橋進(jìn)行加固以滿足受力要求。
3.3拱圈橫向穩(wěn)定
《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D61-2005）中5.1.4 規(guī)定[3]：“當(dāng)板拱拱圈寬度等于或大于1/20 計(jì)算跨徑時(shí)，混凝土拱可不考慮橫向穩(wěn)定”，水磨大橋的拱圈寬度與計(jì)算跨徑的比值為0.207>0.05，因此本橋可不考慮橫向穩(wěn)定。
3.加固方案及要點(diǎn)
3.1 主拱圈錨噴混凝土加大截面
由計(jì)算分析結(jié)果可知，拱腳截面強(qiáng)度不足。因此采用錨噴混凝土加大截面的方式對(duì)拱圈進(jìn)行加固。
1)對(duì)主跨主拱圈第一腹孔段拱背進(jìn)行錨噴加固，厚20cm。對(duì)整跨拱腹錨噴10cm混凝土進(jìn)行加固。錨噴混凝土均采用C40混凝土。
2)增設(shè)32cm厚C30混凝土拱座。
3)采用厚10cm的C40混凝土對(duì)腹拱進(jìn)行錨噴加固。對(duì)于第一腹拱，噴射混凝土加固層應(yīng)保留原腹拱圈的鉸縫。對(duì)于引孔整跨內(nèi)拱腹錨噴20cm厚C40混凝土加固。同時(shí)對(duì)全橋拱圈砌縫脫落、空洞處進(jìn)行修補(bǔ)。
為保證錨噴混凝土加固效果，在正式錨噴前，須在拱圈做錨噴試驗(yàn)，并進(jìn)行強(qiáng)度拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)需反復(fù)進(jìn)行多次，直至錨噴效果達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，才能進(jìn)行拱圈的正式錨噴施工[4]。
3.2橋面鋪裝更換
對(duì)全橋橋面鋪裝進(jìn)行更換，新更換橋面鋪裝采用C40防水混凝土，配置雙層鋼筋。原橋面鋪裝鑿除時(shí)應(yīng)注意縱橋向?qū)ΨQ卸載，不得在橋跨范圍內(nèi)堆載，新更換橋面混凝土的澆筑也應(yīng)注意對(duì)稱加載。鑿除施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制鑿除深度，不得過(guò)鑿，避免損傷拱上側(cè)墻及拱圈。在重新鋪裝前應(yīng)對(duì)拱上填料適當(dāng)夯實(shí)。施工時(shí)應(yīng)小心謹(jǐn)慎，必要時(shí)采取防護(hù)措施。
3.3增設(shè)伸縮裝置
在兩側(cè)橋臺(tái)變形縫處增設(shè)TST（改性瀝青)彈塑體橋梁伸縮裝置。為保證伸縮縫和附近鋪裝的耐久性，在伸縮縫下方設(shè)置C15素混凝土墊層。
3.4更換橋頭搭板
更換龍樹岸橋臺(tái)搭板，新澆筑搭板前應(yīng)對(duì)臺(tái)后填土重新夯實(shí)。
對(duì)全橋開裂、破損等局部病害進(jìn)行修補(bǔ)，防止病害進(jìn)一步發(fā)展，影響結(jié)構(gòu)耐久性。
3.5 加固施工順序
根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，該維修加固工程宜按如下順序施工：
原橋面鋪裝鑿除→→錨噴拱座混凝土→→主拱圈錨噴加固→→腹拱圈錨噴加固→→孔洞等病害和缺陷修補(bǔ)→→更換搭板→→橋面鋪裝澆筑施工、伸縮裝置施工→→其他修補(bǔ)施工。
4. 結(jié)論
隨著服役時(shí)間的增加，石拱橋經(jīng)常出現(xiàn)橋面鋪裝破損、主拱圈及腹拱圈滲水泛白等為常見(jiàn)病害，而現(xiàn)有交通量及荷載也在增加，從而導(dǎo)致主拱圈等各主要受力結(jié)構(gòu)出現(xiàn)承載力不足的現(xiàn)象。本文以水磨大橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)該橋進(jìn)行了病害調(diào)查和分析，結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果表明該橋的承載力不能滿足現(xiàn)有荷載的要求，提出了使用增大截面法對(duì)拱圈等各主要受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，以及伸縮縫其他病害處的相應(yīng)處理措施，并擬定了詳細(xì)的加固施工順序。本文的研究?jī)?nèi)容及加固可為類似工程加固提供有益的參考。
