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      淺析雙曲拱加固提載技術研究與實踐
      發布時間:2014-08-09

        文本摘要:該文在分析總結雙曲拱橋結構特點的基礎上,以大通河宏圖橋的加固改造為例,對雙曲拱橋的病害原因、加固技術施工工藝進行研究,介紹了粘貼鋼板、粘貼碳纖維布、改變腹拱結構、加強橫系梁、改造橋面系等加固提載技術的綜合應用和施工工藝。

        關 鍵 詞:雙曲拱橋、病害分析、加固提載、施工方法

        雙曲拱橋是我國在總結古老拱橋技術基礎上發展而來的一種橋梁結構形式,這種橋梁具有結構新穎、輕巧、省料、便于施工、較高強度和穩定性的特點,在上世紀六七十年代曾得到廣泛推廣。然而由于設計和施工經驗不足以及其他種種原因,不少雙曲拱橋承載能力低,在使用一定時期后,就出現了不同程度的病害。隨著交通量和車輛載重的增加,橋梁存在著較大的安全隱患,同時現有橋梁一般位于交通咽喉部位,建設時占據了有利位置,推倒重建會長時間影響交通,且需要大量資金投入。因此正確分析橋梁病害原因,采取有效加固措施,該類橋還是可以繼續使用的。因此,對現有雙曲拱橋的結構性能進行檢測和評價并提出加固方案,對于保障橋梁結構安全、保障交通暢通都具有重要意義。

        1、工程概況

         大通河宏圖橋位于蘭州市紅古區河橋鎮,是連接連城鋁廠和當地人民與外交通的重要橋梁。該橋建始于上世紀六十年代末,1971年正式投入使用,設計荷載為汽-13,掛-60級,橋梁形式為4×45m上承式鋼筋混凝土雙曲拱橋,矢跨比為0.125,拱軸線為懸鏈線,全長192m,橋面寬8m,其中車行道6m,每側各1m人行道。主拱圈為六肋五波,拱肋斷面為矩形,250#鋼筋混凝土,橋墩(臺)為170#混凝土,基礎采用擴大明挖基礎,150#混凝土。橋址處年氣溫變化在-20℃~40℃之間,多年少雨,氣候干燥。橋梁概貌見圖1。要求加固后橋梁承載能力滿足汽車-20級、掛車-100的荷載標準。

        

        圖1 原橋概貌

        2、病害狀況及原因分析

         2.1 病害狀況

        通過進行表觀損傷檢查、混凝土強度測定、碳化深度測定和動靜載試驗等一些檢測,該橋梁主要存在著以下病害:

        (1) 拱肋:全橋拱肋未發現有影響結構受力的病害,但均出現少量的縱向裂縫,裂縫寬1mm左右,局部鋼筋有銹蝕痕跡,混凝土脹裂、脫落比較嚴重,拱墻與拱肋連接處有破壞情況,平均碳化深度達到6mm,實測抗壓強度21.4MPa。

        (2) 拱波、橫系梁:各跨拱波均有較嚴重破壞,其中第二跨~第四跨橫系梁有破壞,拱波中央出現縱向貫通裂縫,裂縫寬0.5~2mm,平均碳化深度達到6mm,實測抗壓強度15.7MPa。

        (3) 腹拱圈及拱上側墻:腹拱結構破壞嚴重,許多腹孔及立墻上均有滲水痕跡,混凝土大片脫落,平均碳化深度達到8mm,實測抗壓強度15.1MPa。

        (4) 橋臺(墩)、拱座:橋墩未發現有影響結構受力的病害,但均存在豎向裂縫,其中0#橋臺12條、1#橋墩28條、3號橋墩32條、甜橋臺130條,長度均在1~3m之間,但裂縫多為早期出現的,裂縫寬0.1~2mm,因年代較久,沿縫出現白色晶體析出物,平均碳化深度達到9mm,實測抗壓強度18.7MPa。

        (5) 橋面系:橋面鋪裝層及排水系統完全破壞,人行道路緣石受機動車撞壓,破壞嚴重,人行道欄桿損壞嚴重。橋面的損壞加大了車輛通行時產生的沖擊系數,嚴重影響了大橋的使用和舒適性,也加劇了橋梁結構的破壞。

        2.2 成因分析

        根據既有橋現狀,綜合分析產生病害的成因主要有以下三個方面的原因。

        (1) 設計方面的原因

        該橋修建于上世紀60年代末期,在構造設計上反映了我國上世紀六、七十年代雙曲拱橋的設計特點,拱圈在構造上整體性不好,其中主拱圈剛度相差懸殊,極易產生縱向收縮裂縫,也不利于橫向撓度及內力的傳遞,重車偏載時極易出現拱波頂縱向裂縫,而且由于拱肋和拱波、拱板混凝土標號差異較大,增加了混凝土收縮差和溫差內力。拱肋與拱波、拱板間結合面過小,聯結構造太弱。該橋拱肋之間的橫向聯系薄弱,拱肋間橫系桿雖能滿足平衡拱波推力的需要,但剛度太小,屬半柔性構件,對拱圈橫向整體性作用甚微。

        (2) 施工方面原因

        該橋在施工時,由于受當時施工條件的限制,采用將拱肋預制安裝的無支架施工方法,在拱肋預制時由于預拱度預留不準確,拱肋安裝后拱軸線有偏離設計拱軸線的現象。

        (3) 運營養護及后期交通量增長的原因

        作為本地區交通線上的重要公路橋梁,該橋自建成以來承擔當地絕大多數交通任務,而且隨著經濟的發展車輛向大型化發展日趨明顯,來往車輛日益增多。橋梁設計荷載為汽-13、掛-60級,即車隊中重車總重為200kN,而現有車輛遠遠大于設計荷載,雖然空腹式雙曲拱橋腹拱相對計算模型而言對主拱有一定卸荷作用,但長期的超載運行,勢必會對大橋的疲勞破壞加劇,加之后期運營過程中養護不及時,橋面設施和防水破壞嚴重,導致橋梁的承載能力降低,安全隱患是相當突出的。

        

        圖2 早期雙曲拱橋常見的病害實例

        2.3 荷載試驗 

         通過靜載實驗表明,該橋控制截面上各個測點上的應力基本上未出現異常變化情況,且實測值的變化規律和理論分析結果基本保持一致,實測最大拉應力為0.82MPa,實測最大壓應力為0.93MPa,均未超過規范規定的限值。通過動載實驗,實測頻率與理論頻率的比值在1.03~1.05之間,說明橋梁結構在豎向、橫向和縱向的動力剛度滿足設計要求,阻尼比的實測值為0.02195,小于《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中規定的0.5,由動應變算出最大動應力為1.28MPa,動應力未超過規定的最大拉應力1.55MPa。荷載試驗表明橋梁主要承載部位無結構性的損傷!

        通過對該橋的計算分析,考慮安全同時兼顧長遠利益,通過對該橋進行全面加固,并依靠加固后該橋自身的結構來達到滿足通行汽車-20級;掛車-100荷載車輛是切實可行的,故決定本橋按舊橋加固利用并拓寬設計。

        3、橋梁加固方案

        3.1 加固設計原則

        橋梁加固主要的目標是維持其正常運營,提高結構構建的耐久性,最大限度的提高橋梁的承載能力。該橋通過30多年的運營,在目前車輛大量超限超載的情況下,還沒有出現較大變形,說明該橋的總體承載力水平還是比較高的,但是長期的超載、超限運營也使大橋處于超負荷應力狀態(高應力狀態),盡快按現有通行車輛荷載等級要求進行加固是必要的,加固的設計原則為:最大限度利用舊橋結構,加固方案經濟、合理,結構安全,施工方便。加固的具體范圍主要是:(1)拱肋及橫系梁;(2)橋面系及拱波、腹拱等;(3)拱腳裂縫及墩臺身裂縫等三方面。加固方案主要圍繞舊橋裂縫進行修補,補強主拱圈,加強橫向聯系,提高整體剛度的原則進行方案比選。

        3.2 加固設計要點

        雙曲拱橋加固補強方法很多,比較常用的有:(1)以錨噴或現澆混凝土方法增加拱肋受拉區鋼筋及加大拱肋斷面;(2)以鋼板粘貼加固拱肋等主要承重結構,并結合碳纖維補強拱波、立柱輔助承重結構等;(3)以體外預應力加固增強等;(4)鋼筋混凝土整體式板肋套拱等。以上方法均有各自的適用范圍,綜合技術、經濟比較,根據此橋損害的特點,決定采用方法(2)加固本橋,即以鋼板粘貼加固拱肋,以提高承載能力;增強拱肋間橫系梁截面,以增加橋梁整體剛度。對既有拱波、腹拱及拱腳等應力集中、容易產生裂縫的部位采用碳纖維布補強,以提高橋梁耐久性。此方案既可解決既有構件裂縫露筋產生的鋼筋銹蝕問題,提高了橋梁結構的耐久性,同時拱肋粘貼鋼板后增加了構件受力截面,相應也提高了橋梁整體結構的承載能力。

        3.2.1主拱圈加固

        主拱圈是雙曲拱橋的主要受力部位,也是本次加固的關鍵,為改善拱頂、兩拱腳的受力狀態,采取對全橋拱肋底板粘貼6mm厚Q235a鋼板,拱腳的拱背上緣現澆5~20cm厚鋼筋混凝土,增大拱腳區段的截面剛度,改善拱腳、拱頂兩個控制截面的受力狀態,提高大橋的承載能力。拱肋加固前要先對原病害進行修補,鑿除銹脹混凝土,露出主筋,除銹,補焊主筋,用環氧混凝土恢復補焊鋼筋處的混凝土保護層,粘貼鋼板涂刷防繡漆。

        3.2.2拱波加固

        拱波裂縫采用必可法修補,先對裂縫采用注膠修補,再在表面沿橫向粘貼一層碳纖維布補強,封閉裂縫。碳纖維采用HT300-50,厚度0.167mm,重量300gc/m2,抗拉強度大于3400MPa,斷裂延伸率大于1.5%。粘結用膠與纖維布配套,正拉粘結強度大于3.0MPa。施工環境溫度在5℃~35℃范圍內,相對濕度不大于70%。加固混凝土構件長期使用環境溫度不應高于62℃。

        3.2.3橫系梁加固

        對第二跨~第四跨橫系梁加固處理,增大斷面尺寸,增加鋼筋,改善受力條件。鑿除拱肋與橫系梁連接部分混凝土,露出鋼筋,補焊鋼筋,澆注混凝土。

        3.2.4腹拱圈及拱上側墻加固

        腹拱加固采用植筋掛鋼筋網澆筑混凝土法,即鑿除拱圈、拱墻和橫隔墻表面混凝土,露出主筋,再種植錨固鋼筋,布設鋼筋網,鋼筋網與種植鋼筋焊接,鋼筋網起到加強現澆部分混凝土、抑制橫向裂縫的作用。錨固短鋼筋植于拱肋和拱板中,加強了新、老混凝土的聯結;并增大結合面的抗剪能力,使新、舊結構共同變形;同時錨固短鋼筋起到了架立鋼筋的作用;炷帘砻嫱拷缑鎰,澆注8cm厚混凝土。

        3.2.5墩臺、拱座加固

        墩臺、拱座沒有嚴重損壞現象,主要是對橋臺(墩)、拱座裂縫采用必可法工藝注膠修補。

        3.2.6橋面系補強,

        由于橋梁橋面系破壞嚴重,維修時對原橋面鋪裝層全部拆除,澆筑20cm厚C30鋼筋混凝土,把簡支橋面轉為連續橋面,再做FYT系列防水層,鋪裝8cm瀝青混凝土面層。橋面鋪裝施工時做好排水系統和泄水孔。預制安裝懸臂式人行道板,加寬橋面,原鋼筋混凝土扶手更換為鋼欄桿。伸縮縫全部拆除,重做TST碎石彈性連接,橋頭補做鋼筋混凝土搭板。

        3.3 加固計算分析

        3.3.1計算模型

        根據既有橋實測數據,將主橋結構L=45m拱橋作為分析對象,主要用于縱向靜力計算,對其內力、應力以及變形狀況進行分析。本模型采用通用有限元MIDAS/Civil程序進行計算。按照主橋的實際構造進行結構離散,共劃分單元398個、397個節點。計算模型見圖3。

        3.3.2荷載組合

        (1) 組合I:(正常使用極限狀態下短期效應組合),見表1。

       。2)組合II:(正常使用極限狀態下長期效應組合),見表2。

        (3) 組合III:(正常使用極限狀態下效應標準值組合),見表3。

        (4) 組合IV:(正常使用極限狀態下效應標準值組合),見表4。

        (5) 組合V:(承載能力極限狀態下),見表5。

        (6) 組合VI:(承載能力極限狀態下),見表6

        3.3.3內力計算結果

        內力計算見圖4~圖6。

        3.3.4截面檢算結果

        將粘貼鋼板面積按照等剛度原則換算為直徑Φ25的HRB335鋼筋面積,主拱圈視為偏壓構件,依據現行公路橋梁設計規范,采用容許應力法,檢算加固后主拱圈控制截面強度。

        (1) 主拱圈拱頂截面

        a.恒載+汽車-20級

        控制內力:N=-12975.60kN,M=4277.65kN·m,L0=17.18m,

        配筋情況:采用A g=52根Φ25,a g=0.22923m。

        檢算結果:[N j m a x]=13562.7kN,滿足強度要求。

        b.恒載+掛車-100

        控制內力:N=-12975.62kN,M=4649.33 kN·m,L0=17.18m,

        配筋情況:A g=52根Φ25,a g=0.22923m。

        檢算結果:[N j m a x ]=13470.9kN,滿足強度要求。

        (2) 主拱圈拱腳截面

        a.恒載+汽車-20級

        控制內力:N=-14652.15kN,M=2286.29kN·m,L0=17.18m,

        配筋情況:A g=33根Φ25,a g=0.06 m。

        檢算結果:[N j m a x ]=49706.7kN,滿足強度要求。

        b.恒載+掛車-100

        控制內力:N=-14652.07kN,M=2895.35kN·m,L0=17.18 m,

        配筋情況:A g=33根Φ25,a g=0.06m。

        檢算結果:[N j m a x]=40261.9kN,滿足強度要求。

        (3) 拱上小拱圈拱頂截面

        a.恒載+汽車-20級

        控制內力:N=-223.96kN,M=165.96kN·m,L0= 2.0m,

        配筋情況:A g=24根Φ16,a g=4.5cm。

        截面檢算情況:滿足強度要求。

        (4) 拱上小拱圈拱腳截面

        a.恒載+汽車-20級

        控制內力:N=-751.21kN,M=-135.79kN·m,L0=2.0m,

        配筋情況:A g=24根Φ16,a g=4.5cm。

        截面檢算情況:滿足強度要求。

        (5) 橋梁整體剛度

        靜活載作用下主拱圈最大豎向位移為向下4.6mm,滿足剛度要求(見圖7)。

        (6) 橋面板檢算

        計算彎矩:M j=57.531kN·m;計算剪力:Q j=66.882kN·m。

        經檢算,在汽車-20級、掛車-100荷載作用下,橋面板正截面強度、斜截面強度及最大裂縫均滿足規范要求。

        經上述加固后橋梁理論承載力檢算結果可知,加固后橋梁承載力滿足汽車-20級、掛車-100的設計荷載要求,方案可行。

        

       

        4、主要施工要點

        4.1 施工安排

        橋梁維修加固施工選擇在8月~10月份進行,期間當地氣溫在15~30℃之間,適合裂縫修補以及鋼板碳纖維布粘結施工。加固施工前,中斷交通,拆除橋面欄桿、人行道和橋面鋪裝層,減輕橋梁恒載。

        4.2 支架和工作平臺

        橋梁一跨和二跨在河岸上,施工期間沒有水流,采用搭設滿堂支架法作為施工平臺;三跨和四跨下為主河道,水流湍急,采用橋面懸掛移動吊籃作為施工平臺。

        4.3 必可法修補裂縫

        裂縫修補采用必可法注膠工藝,灌縫膠選用Ha71(雙組份高分子聚合物);用鋼絲刷清理表面雜物、浮漿、塵土,裂縫干燥后用Ha61快封膠將注膠嘴按間隔40cm粘在裂縫上,同時密封裂縫表面,再將灌注膠按比例配好,注入恒壓灌注器內,從裂縫最低處的注膠嘴開始,相鄰上部注膠嘴灌膠溢出后封閉注膠嘴,依次注膠,最后用砂輪打磨裂縫表面。

        4.4 碳纖維布粘貼

        用角磨機將修補區域基面進行磨平處理,磨平到露出混凝土光面,并用空氣壓縮機將粉塵吹干凈,直至用手觸摸不粘灰為止。將底膠按比例配制并攪拌均勻。用短毛滾刷均勻涂抹在磨平部位,靜置5~7h,至手觸摸不沾手方可進行下一道工序。底膠干燥后,按比例拌和環氧膩子,并調和均勻,用膩子刮平工作面的坑槽,養生5~7h。用砂紙打磨一遍工作面,并用棉絲將粉塵擦拭干凈;按比例將底層樹脂進行拌和均勻后,用短毛滾均勻涂抹于工作面上;將碳纖維布按順序依次粘貼于工作面,并用消泡滾反復滾壓碳纖維布表面,使碳纖維布與工作面緊密結合,不至有氣泡存在;靜置30~60min在碳纖維表面再均勻涂一層浸漬樹脂。涂抹浸漬樹脂時,不得使粘貼的碳纖維布卷起;碳纖維在粘貼后,養護24h,不宜使碳纖維布受潮、受震,也不得受荷載直接沖撞碳纖維布表面;待樹脂初期硬化后,在碳纖維布表面涂刷一層碳纖維專用漆,其顏色和原來結構相同。

        4.5 粘貼鋼板

        拱肋粘貼鋼板前,先要補焊鋼筋和修補混凝土,清理混凝土表面。鋼板按設計尺寸下料,鉆注膠孔和排氣孔;表面除銹再做粗糙處理,用丙酮或酒精棉紗清洗表面。用膨脹螺栓將鋼板固定在拱肋底部,鋼板接頭焊接,用快封膠封閉鋼板四周,將注膠嘴粘貼在注膠孔,采用加壓注膠法依次從低向高處注膠。注膠后立即頂固鋼板,24h后方可拆除頂壓支架。

        4.6 植筋掛網、澆筑混凝土

        在拱圈植筋注意要避開原結構鋼筋,用電鉆鉆孔,孔深10cm,孔徑要大于要植鋼筋4 mm;用壓縮空氣清孔,吹干孔內水分;用膠槍填膠至孔深的一半后將鋼筋插入膠孔固化。再將鋼筋網焊接在已植鋼筋;炷帘砻嫱拷缑鎰┖,支模澆注混凝土。

        5、加固效果

        該橋通過加固前的荷載試驗明確了結構損害程度,加固時修補了損害部位,減少了主拱圈部分恒載,加強了橫向連接,改變主拱圈的剛度和受力狀態,改變橋面鋪裝結構和受力形式,提升了橋梁的承載力,經結構計算,加固后的橋梁能夠滿足汽車-20級、掛車-100的設計荷載標準。本橋于2006年8月開始施工,2006年11月交付使用,至今使用狀況良好,經檢測觀察,加固后橋梁的運營效果體現在:

        (1) 車輛行駛橋上,橋梁無異常振動聲。

        (2) 橋下觀察,橋體間無任何滲水現象發生;主拱肋及腹拱、側墻間干燥無潮濕跡象。

        (3) 橫系梁與主拱圈或拱波與側墻間支承無脫空現象,支承更為密實,受力更為均勻合理。

        (4) 由于主拱圈粘貼了鋼板,橋面采用整體現澆連續結構,并加強了橫向系梁的連接,使得結構剛度大大加強,橋面無明顯振動和擾度產生,平整度更佳。

        (5) 橋面伸縮縫采用橋梁專用伸縮裝置及橋面防水處理,橋面行車無跳車現象,舒適度良好。

        6、體會與建議

         隨著現代社會經濟高速發展,公路交通量和載重的逐漸增加,舊橋檢測和加固改造是目前面臨的一項重要工作,特別是對于上世紀修建的一些橋梁,采用合理的加固技術不僅能夠消除安全隱患,而且能夠改變使用性能。盡管每座舊橋的情況各不相同,各自特點不同,但也存在一定的共性。宏圖大橋的加固提載采用了粘貼碳纖維布、粘貼鋼板、改變拱腳截面形式、拓寬橋面、混凝土加固橋臺副孔拱圈等多種綜合技術,效果顯著。為橋梁尤其是雙曲拱橋的加固和拓寬積累了經驗。

        橋梁再次使用后,要限制通行車輛的速度和載重,保持正常車距;及時清除遺灑物和積雪等,保證橋面的清潔和排水暢通;經常觀察加固部位的變化,并要定期測試主要受力部位的應力變化,確保使用期間的安全。



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