剛架拱橋病害分析及加固設(shè)計研究論文
1工程概況
某剛架拱橋位于福建省一縣進出城口，屬國道上橋梁。橋全長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。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，同時業(yè)主要求該橋改造后能夠滿足公路－Ⅱ級、人群3．5kN/m2的荷載要求。但是該橋無設(shè)計和竣工資料，需要對橋梁進行整體進行詳細(xì)的現(xiàn)狀調(diào)查、分析后進行相應(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)點附近弦桿段存在個別裂縫，所檢裂縫最大寬度測讀值為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讀值為0.35mm，超過規(guī)范限值。
2.2荷載試驗
1)靜載試驗靜載試驗按公路－Ⅱ級(考慮10cm瀝青鋪裝層)荷載等級進行，靜載試驗荷載效率為0.86～1.01;在各工況荷載作用下，控制截面應(yīng)變校驗系數(shù)在0.14～0.94之間，滿足校驗系數(shù)小于1.00的要求;所測測點的最大相對殘余應(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系數(shù)在0.39～0.94之間，滿足校驗系數(shù)小于1.00的要求;所測測點中的主要測點相對殘余變形基本滿足的殘余變形限值要求(限值20%)。
2)環(huán)境振動試驗實測振動響應(yīng)信號經(jīng)試驗?zāi)B(tài)分析，該橋豎向?qū)崪y基頻為5.00Hz，理論基頻為3.07Hz，實測基頻大于理論值，表明現(xiàn)狀橋梁實際剛度較大。
3)橋梁承載力評定結(jié)果根據(jù)橋梁缺陷狀況檢測結(jié)果、材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測結(jié)果和荷載試驗結(jié)果對橋梁承載能力進行核算，該橋承載能力不滿足公路－Ⅱ級、人群3.5kN/m2(加鋪10cm瀝青鋪裝層)荷載等級的使用要求。
3結(jié)構(gòu)計算分析
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邊拱肋和中拱肋進行計算。單片拱肋劃分為70個單位，其中三角剛架區(qū)24個單位，橋面單元為46個單位，拱角采用完全固結(jié)，邊支點采用豎向支撐，縱向滑動約束。
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)過長時間運營，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)計的微彎板計算模型為將微彎板兩端簡化為彈性約束的變截面板進行承載力驗算，該假定方法與實際受力狀態(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)的簡支板，從而微彎板實際受力大大增加，超出設(shè)計范圍，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)平面桿系理論進行的，基本采用彈性支撐連續(xù)梁的'方法進行橫向荷載分布分析，而后進行縱向橋梁內(nèi)力分析。在實際工程應(yīng)用中，往往很難模擬橫向聯(lián)系的實際受力狀況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算失真。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。同時在汽車荷載作用下出現(xiàn)振動現(xiàn)象，也使得橫向連接減弱，導(dǎo)致剛度降低。同時微彎板的側(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)計規(guī)范，進行恒載、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)點連接處)、拱角、弦桿(與大節(jié)點連接處)等部分部位裂縫寬度大大超出規(guī)范的最大要求。同時，根據(jù)橋梁檢測報告可知，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加固對策及驗算
5.1加固對策
根據(jù)檢測結(jié)果及上述病害分析，提出了主要處理措施，如下:
1)對拱肋跨中兩側(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)點鋼板焊接連接，并將該部分混凝土過渡平順。
4)對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，增強橫向剛度。
5)拱肋弦桿上緣出現(xiàn)較多裂縫，計算也發(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，根據(jù)檢測報告可以看出，微彎板及加勁肋存在較多裂縫，通過計算，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，對微彎板表觀病害進行維修處理，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，同時又使得舊橋恒載增加不多。
7)對所有寬度大于0.15mm的裂縫進行灌漿處理，灌漿膠采用優(yōu)質(zhì)A級環(huán)氧灌縫膠。對所有寬度小于0.15mm的裂縫，無論縫寬大小，在進行裂縫的灌漿過程中一并封閉。
5.2加固驗算
1)計算參數(shù)
驗算按照J(rèn)TGD60－2004要求進行，汽車荷載采用公路Ⅱ級荷載標(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。混凝土強度按檢測報告實測結(jié)果，恒載按改造后使用需要計取。對拱肋、弦桿、及大小節(jié)點節(jié)點處粘貼鋼板的單元將鋼板等效為鋼筋加入單元截面，等效計算考慮0.9的應(yīng)力滯后效應(yīng)。
2)拱肋撓度計算結(jié)果
撓度計算結(jié)果如所示，計算結(jié)果表明，加固措施對橋梁的剛度有大大改善。3)拱肋控制截面強度計算結(jié)果經(jīng)驗算現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)跨中強度基本能滿足承載能力極限狀態(tài)要求;拱腿大節(jié)點處、拱腳、斜腿腳及弦桿大節(jié)點處裂縫寬度不能滿足正常使用極限狀態(tài)要求。比較加固前后的計算結(jié)果，對橋梁的薄弱環(huán)節(jié)進行加強，提高了強度要求，減小裂縫寬度，增加了安全儲備，達(dá)到了加固效果。邊拱肋、中拱肋控制截面強度計算結(jié)果如所示;邊拱肋、中拱肋控制截面裂縫計算結(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
本文針對某剛架拱橋的病害特點，結(jié)合目前諸多剛架拱橋的病害特點及加固處理經(jīng)驗，進行本橋的病害分析和內(nèi)力計算分析，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)重點實驗室
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