剛架拱橋病害分析及加固設(shè)計(jì)研究論文
1工程概況
某剛架拱橋位于福建省一縣進(jìn)出城口，屬國(guó)道上橋梁。橋全長(zhǎng)59．6m，橋?qū)?1m。上部結(jié)構(gòu):凈跨3．0m鋼筋混凝土矮肋板梁+凈跨50m鋼筋混凝土剛架拱+凈跨3．0m鋼筋混凝土矮肋板梁，主跨橫向布設(shè)7片剛架拱片，拱片間距3．2m。橋面鋪裝連續(xù)，兩側(cè)橋頭各一處簡(jiǎn)易伸縮縫。橋面系采用矢跨比為1/16、厚6cm的微彎板及現(xiàn)澆混凝土填平層。橋面寬度為3．35m(人行道)+14．3m(車行道)+3．35m(人行道)。下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土組合式橋臺(tái)。為配合道路改造工程，該橋?qū)⒃跇蛎嫔现苯蛹愉?0cm瀝青路面，同時(shí)業(yè)主要求該橋改造后能夠滿足公路－Ⅱ級(jí)、人群3．5kN/m2的荷載要求。但是該橋無設(shè)計(jì)和竣工資料，需要對(duì)橋梁進(jìn)行整體進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)狀調(diào)查、分析后進(jìn)行相應(yīng)的處理。
2橋梁現(xiàn)狀調(diào)查
2．1主要病害
1)橋面鋪裝存在大量橫向裂縫、縱向裂縫;伸縮縫不平順;人行道板、欄桿、路緣石多處破損缺失;橋面排水不暢、積水;橋頭沉降造成搭板凹陷。
2)跨中拱頂附近存在較多裂縫，大小節(jié)點(diǎn)附近弦桿段存在個(gè)別裂縫，所檢裂縫最大寬度測(cè)讀值為0.25mm，未超過規(guī)范限值;拱肋有露筋銹蝕現(xiàn)象;部分拱肋局部存在孔洞、蜂窩麻面等表觀病害。
3)微彎板存在開裂現(xiàn)象，主要集中于跨中附近，所檢裂縫最大寬度測(cè)讀值為0.73mm，超過規(guī)范限值;微彎板存在大量露筋銹蝕、裂縫、孔洞病害，嚴(yán)重的微彎板混凝土碎裂，導(dǎo)致橋面塌陷，詳照片。
4)橫系梁存在較多裂縫，車行道下部橫系梁尤為嚴(yán)重，所檢裂縫最大寬度測(cè)讀值為0.72mm，超過規(guī)范限值。并有露筋銹蝕、混凝土表面蜂窩麻面、剝落現(xiàn)象。
5)下部結(jié)構(gòu)蓋梁受水侵蝕嚴(yán)重，有較多豎向裂縫，所檢裂縫最大寬度測(cè)讀值為0.35mm，超過規(guī)范限值。
2.2荷載試驗(yàn)
1)靜載試驗(yàn)靜載試驗(yàn)按公路－Ⅱ級(jí)(考慮10cm瀝青鋪裝層)荷載等級(jí)進(jìn)行，靜載試驗(yàn)荷載效率為0.86～1.01;在各工況荷載作用下，控制截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.14～0.94之間，滿足校驗(yàn)系數(shù)小于1.00的要求;所測(cè)測(cè)點(diǎn)的最大相對(duì)殘余應(yīng)變小于殘余應(yīng)變限值要求(20%);在各工況荷載作用下，各控制截面撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.39～0.94之間，滿足校驗(yàn)系數(shù)小于1.00的要求;所測(cè)測(cè)點(diǎn)中的主要測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余變形基本滿足的殘余變形限值要求(限值20%)。
2)環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)經(jīng)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，該橋豎向?qū)崪y(cè)基頻為5.00Hz，理論基頻為3.07Hz，實(shí)測(cè)基頻大于理論值，表明現(xiàn)狀橋梁實(shí)際剛度較大。
3)橋梁承載力評(píng)定結(jié)果根據(jù)橋梁缺陷狀況檢測(cè)結(jié)果、材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)結(jié)果和荷載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行核算，該橋承載能力不滿足公路－Ⅱ級(jí)、人群3.5kN/m2(加鋪10cm瀝青鋪裝層)荷載等級(jí)的使用要求。
3結(jié)構(gòu)計(jì)算分析
為了解橋梁結(jié)構(gòu)提載后受力情況，本工程結(jié)構(gòu)分析采用橋博3.0程序建立平面桿系模型分別對(duì)邊拱肋和中拱肋進(jìn)行計(jì)算。單片拱肋劃分為70個(gè)單位，其中三角剛架區(qū)24個(gè)單位，橋面單元為46個(gè)單位，拱角采用完全固結(jié)，邊支點(diǎn)采用豎向支撐，縱向滑動(dòng)約束。
4病害原因分析
近幾年該地區(qū)交通量急劇增加，該剛架拱橋經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)，構(gòu)件混凝土的開裂呈普遍現(xiàn)象，裂縫的產(chǎn)生有著各種各樣的原因，內(nèi)部和外部不同原因的裂縫和不同類別的裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性也有著不同的影響。
4.1微彎板
車輪荷載通過橋面鋪裝層作用于微彎板上，形成較為直接的受力構(gòu)件，原設(shè)計(jì)的微彎板計(jì)算模型為將微彎板兩端簡(jiǎn)化為彈性約束的變截面板進(jìn)行承載力驗(yàn)算，該假定方法與實(shí)際受力狀態(tài)相差甚大，且微彎板厚度僅設(shè)為60mm，因此大大降低了微彎板在實(shí)際工作中的可靠性。由于橋梁多年的使用，橋面鋪裝的破損，拱肋下?lián)稀M向偏移等，均造成微彎板支座端偏位，嚴(yán)重者使得微彎板變成兩端鉸結(jié)的簡(jiǎn)支板，從而微彎板實(shí)際受力大大增加，超出設(shè)計(jì)范圍，造成微彎板的破壞。本橋微彎板存在大量裂縫，且部分微彎板的塌陷，正是設(shè)計(jì)缺陷引起的。
4.2橫向聯(lián)系
剛架拱橋的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析是根據(jù)平面桿系理論進(jìn)行的，基本采用彈性支撐連續(xù)梁的'方法進(jìn)行橫向荷載分布分析，而后進(jìn)行縱向橋梁內(nèi)力分析。在實(shí)際工程應(yīng)用中，往往很難模擬橫向聯(lián)系的實(shí)際受力狀況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算失真。彈性支撐連續(xù)梁法需要結(jié)構(gòu)必須有足夠的橫向連接剛度，橫向連接剛度是通過橫系梁、橋面鋪裝層及微彎板進(jìn)行連接，而這種連接通過多年剛架橋的使用可知，其剛度較弱。由于先天橫向剛度的不足，橋梁使用一段時(shí)間后，橫系梁逐漸出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，橫系梁的開裂弱化了橫向剛度，出現(xiàn)更嚴(yán)重的裂縫，其裂縫基本形態(tài)為豎向貫通縫或斜向裂縫。同時(shí)在汽車荷載作用下出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，也使得橫向連接減弱，導(dǎo)致剛度降低。同時(shí)微彎板的側(cè)向水平推力作用也使得橫系梁處于橫向受拉，對(duì)橫系梁產(chǎn)生不利作用。因此，由于剛架拱的先天不足，導(dǎo)致橋梁過早的出現(xiàn)不同程度的病害，病害又導(dǎo)致橋梁橫向剛度降低，而剛度的降低加劇了構(gòu)件的損傷、損壞，周而復(fù)始，造成橋梁使用年限大大縮短。
4.3拱肋
根據(jù)橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)行恒載、汽車荷載、溫度荷載等組合，經(jīng)結(jié)構(gòu)分析可知，拱頂、拱角最大抗力不滿足內(nèi)力需求;跨中、拱腿(與大節(jié)點(diǎn)連接處)、拱角、弦桿(與大節(jié)點(diǎn)連接處)等部分部位裂縫寬度大大超出規(guī)范的最大要求。同時(shí)，根據(jù)橋梁檢測(cè)報(bào)告可知，拱肋混凝土質(zhì)量表觀差，表面粗糙、不平、局部蜂窩麻面;大小節(jié)點(diǎn)部位配筋不合理，缺乏必要的構(gòu)造抗拉鋼筋。因此，在橋梁使用過程在大小節(jié)點(diǎn)部位出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，影響橋梁的結(jié)構(gòu)承載力和耐久性。
5加固對(duì)策及驗(yàn)算
5.1加固對(duì)策
根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及上述病害分析，提出了主要處理措施，如下:
1)對(duì)拱肋跨中兩側(cè)各10m的范圍內(nèi)，拱肋下緣粘貼U型鋼板，加配U型壓條，粘貼鋼板采用環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿濕式外包鋼法施工。
2)大、小節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，兩側(cè)粘貼整體大鋼板，在橫系梁處斷開，方便安裝，粘貼整體鋼板采用環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿濕式外包鋼法施工。
3)將拱腿全部和斜撐根部2.5m段外包混凝土加大截面;拱腿頂面、側(cè)面增加混凝土厚度15cm;在拱腳2.5m段區(qū)域內(nèi)，將拱腿和斜腿連成整體。在拱腳新增截面上加強(qiáng)抗彎受力鋼筋，并將新增截面的連接鋼筋植入原結(jié)構(gòu)，以保證新增截面能與原結(jié)構(gòu)共同受力。拱腿新增截面縱向鋼筋與大節(jié)點(diǎn)鋼板焊接連接，并將該部分混凝土過渡平順。
4)對(duì)橫系梁下表面粘貼鋼板條加固，側(cè)面上緣粘貼鋼板，在拱肋處植入螺桿連接，增強(qiáng)橫向剛度。
5)拱肋弦桿上緣出現(xiàn)較多裂縫，計(jì)算也發(fā)現(xiàn)該部分結(jié)構(gòu)承載能力富余量較小甚至不足，為此采用在靠近弦桿上緣粘貼鋼板條方法加固弦桿。
6)若配合整條路線改造，直接在橋面加鋪10cm瀝青混凝土，橋梁上將增加共250噸恒荷載，考慮原設(shè)計(jì)資料缺失，無法判定原基礎(chǔ)承載力富裕度，應(yīng)考慮盡量不增加舊橋恒載;同時(shí)，根據(jù)檢測(cè)報(bào)告可以看出，微彎板及加勁肋存在較多裂縫，通過計(jì)算，原微彎板不滿足荷載要求。因此，考慮采用將原橋面鋪裝層銑剖掉2cm的磨耗層，綁扎鋼筋鋪設(shè)8cm厚C40聚丙烯纖維混凝土鋪裝層，使得新增鋼筋混凝土與原橋面板形成組合受力結(jié)構(gòu)，共同承載受力;同時(shí)，對(duì)微彎板表觀病害進(jìn)行維修處理，采用壓力注膠封閉裂縫、鋼筋除銹、聚合物砂漿恢復(fù)保護(hù)層等措施。再者在橋梁鋪裝6cm瀝青混凝土，橋兩端與整體路線平滑過渡。既解決了橋面板承載不足的問題，同時(shí)又使得舊橋恒載增加不多。
7)對(duì)所有寬度大于0.15mm的裂縫進(jìn)行灌漿處理，灌漿膠采用優(yōu)質(zhì)A級(jí)環(huán)氧灌縫膠。對(duì)所有寬度小于0.15mm的裂縫，無論縫寬大小，在進(jìn)行裂縫的灌漿過程中一并封閉。
5.2加固驗(yàn)算
1)計(jì)算參數(shù)
驗(yàn)算按照J(rèn)TGD60－2004要求進(jìn)行，汽車荷載采用公路Ⅱ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)，人群荷載3.5kN/m2。橋面鋪裝二期恒載為原混凝土鋪裝層銑剖2cm磨耗層，加鋪8cmC40鋼筋混凝土鋪裝層，其上加鋪6cm瀝青混凝土鋪裝層�；炷翉�(qiáng)度按檢測(cè)報(bào)告實(shí)測(cè)結(jié)果，恒載按改造后使用需要計(jì)取。對(duì)拱肋、弦桿、及大小節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)處粘貼鋼板的單元將鋼板等效為鋼筋加入單元截面，等效計(jì)算考慮0.9的應(yīng)力滯后效應(yīng)。
2)拱肋撓度計(jì)算結(jié)果
撓度計(jì)算結(jié)果如所示，計(jì)算結(jié)果表明，加固措施對(duì)橋梁的剛度有大大改善。3)拱肋控制截面強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果經(jīng)驗(yàn)算現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)跨中強(qiáng)度基本能滿足承載能力極限狀態(tài)要求;拱腿大節(jié)點(diǎn)處、拱腳、斜腿腳及弦桿大節(jié)點(diǎn)處裂縫寬度不能滿足正常使用極限狀態(tài)要求。比較加固前后的計(jì)算結(jié)果，對(duì)橋梁的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)，提高了強(qiáng)度要求，減小裂縫寬度，增加了安全儲(chǔ)備，達(dá)到了加固效果。邊拱肋、中拱肋控制截面強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如所示;邊拱肋、中拱肋控制截面裂縫計(jì)算結(jié)果如所示。路面加鋪瀝青混凝土提載后，經(jīng)加固后橋梁拱肋各截面承載力、裂縫寬度要求等均能滿足，并且有較大的富余度。
6結(jié)語(yǔ)
本文針對(duì)某剛架拱橋的病害特點(diǎn)，結(jié)合目前諸多剛架拱橋的病害特點(diǎn)及加固處理經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行本橋的病害分析和內(nèi)力計(jì)算分析，找出該橋主要問題所在，提出提載后有效的加固處理措施，最后通過加固驗(yàn)算，加固后橋梁大大提高了承載能力，滿足業(yè)主單位使用要求。
作者:鄭瑞生 詹德勇 黃婷婷 單位:福建省建筑科學(xué)研究院 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
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