工程案例
業(yè)務(wù)范圍
鋼架拱危橋加固通行特種車輛的技術(shù)
發(fā)布時間：2014-08-09
進賢北門橋位于進賢縣城區(qū),是通往三陽、梅莊方向的主要橋梁,于1984年竣工通車。北門橋橋面總長55·6m,主孔為1孔凈跨36m的剛架拱,矢跨比為1/6,南北副孔為6·0m的微彎板組合梁。基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)為組合式L形橋臺。(見圖1)橋面寬度為凈-7+2×1·0m。原設(shè)計荷載為汽-20,掛-100。北門橋通車后,在對該橋進行驗收時,部分拱腿拱腳斷面上緣出現(xiàn)裂縫。1987年上海城建學(xué)院曾對該橋進行檢測,上述裂縫深達450mm左右,裂縫寬度為0·6~0·8mm。南昌公路分局將該橋列為危橋,對通行車輛采取限載10t通過。2000年,電力部門運輸變壓器的超重平板車要求必須通過北門橋,而此時全橋結(jié)構(gòu)許多部分已出現(xiàn)了開裂甚至局部破壞的現(xiàn)象,其中8處拱腿拱腳處有7處出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫,裂縫寬度達2~5mm,裂縫幾乎已經(jīng)貫通整個拱腿截面。
1 橋梁現(xiàn)場勘測和病害調(diào)查
該橋無竣工資料,所以許多方面只能以原設(shè)計資料和現(xiàn)場勘測為依據(jù)。通過熟悉原設(shè)計部分資料和對北門橋的現(xiàn)場勘測,并參照有關(guān)規(guī)范[1,2],全橋的病害綜述如下:
(1)拱腳上緣有7處由上而下的裂縫,裂縫寬度南橋臺為2~5mm,北橋臺為2~3mm。裂縫幾乎貫通全截面,這是本橋的最大病害。
(2)南橋臺八字墻因受土壓力外傾開裂,北橋臺八字墻外傾更加嚴(yán)重,以致于連著的橋臺立墻出現(xiàn)全斷面橫向裂縫,裂縫寬度1-3cm。 (3)南北副孔6m微彎板組合梁分別向兩端位移3-4cm,伸縮縫塞死,弦桿之間的橫梁出現(xiàn)0·2-0·4mm不等的裂縫。
(4)橋面出現(xiàn)0·2-0·5mm不等的裂縫,而且有一定的規(guī)律可循。
(5)全橋存在露筋,少數(shù)斷面結(jié)構(gòu)尺寸偏小等施工質(zhì)量問題。
綜上所述, 2000年北門橋的狀況較1987年檢測時相比,結(jié)構(gòu)開裂和損壞范圍增大,裂縫寬度和長度都有所發(fā)展,整個結(jié)構(gòu)處于相對松散的狀態(tài),所以將該橋列為危橋是有充分依據(jù)的。
2 老橋承載能力確定的技術(shù)研究
2·1 剛架拱橋的受力特性和計算模型
剛架拱橋是介于剛架橋和拱橋之間的一種橋梁形式,自1979年交通部鑒定后,已在全國大量推廣使用,因其經(jīng)濟、美觀、受力合理、施工方便等特性受到大家的歡迎,但同大部分拱橋一樣,它對基礎(chǔ)有一定的要求,而且全橋的桿件較多且相對零散。
剛架拱的結(jié)構(gòu)特性比較符合結(jié)構(gòu)力學(xué)平面桿系的假設(shè),計算結(jié)果精度能夠滿足要求。而且平面桿系的計算結(jié)果便于與現(xiàn)行規(guī)范對照,便于后續(xù)加固的配筋設(shè)計。因此我們在北門橋的承載力檢算中采用平面桿系的有限元程序,近似地用橫向分布系數(shù)的概念來考慮空間的荷載效應(yīng)并與空間計算相印證,橫向分布系數(shù)按彈性支承連續(xù)梁的簡化計算[3]。北門橋拱腿、斜撐的外部邊界條件為恒載下為鉸,活載下為固定端。
由于基礎(chǔ)為組合式橋臺,原設(shè)計中水平分力需臺后被動土壓力來平衡,而新填土要達到此種要求,施工上是相當(dāng)困難的,所以計算中基礎(chǔ)水平位移的取值是重點考慮因素。
2·2 老橋承載能力的檢算
拱腳開裂是本橋的最大病害,總共8個拱腳有7個出現(xiàn)由上而下的寬裂縫,并非偶然,開裂程度在規(guī)范上已屬破壞。所以原設(shè)計荷載下的檢算工作必須能夠解釋其中的原因。在原設(shè)計的荷載下對受力模型進行多次檢算,并對斷面進行偏壓計算,得到在汽-20+溫降20℃+拱座水平位移D在承載能力極限狀態(tài)下的最大組合,其中拱腳斷面的內(nèi)力如表1。
出現(xiàn)危橋現(xiàn)象的組合為汽-20+溫降20℃+水平位移10mm,也即是組合式橋臺在剛架拱橋產(chǎn)生水平推力作用下產(chǎn)生了較大水平位移,拱腳才產(chǎn)生現(xiàn)在的嚴(yán)重開裂現(xiàn)象。同時這也與橋臺立墻、八字墻被嚴(yán)重擠壞發(fā)生大面積開裂的工程事實相符。
在對應(yīng)的正常使用狀態(tài)下,上弦桿的應(yīng)力狀態(tài)已有多處超出容許應(yīng)力法規(guī)范規(guī)定的范圍,而且較拱腳斷面更為不利。此時考慮到拱腳已大部開裂,蛻化為鉸,再次計算內(nèi)力發(fā)現(xiàn),拱腿的彎矩減小,但上弦桿的應(yīng)力狀態(tài)變化不明顯,仍超出規(guī)范要求。計算表明北門橋如完全按照原設(shè)計圖紙施工,上弦桿的承載力將達不到汽-20等級的荷載要求。原設(shè)計圖紙上弦桿下緣配筋量最少的地方只有3Φ18,較同跨徑剛架拱定型圖中的10Φ22相差甚遠(yuǎn)(注:該定型圖為1983年交通部公路科學(xué)研究所和湖南設(shè)計院聯(lián)合編寫)。
北門橋在超重平板車通行的情況下,上弦桿基本所有的斷面和拱腳拱頂斷面的承載力都不夠。副孔的薄弱位置在跨中下緣,主孔的薄弱位置出現(xiàn)在拱腳上緣、拱頂下緣、大節(jié)點與小節(jié)點的上緣等地方,其中最不利位置位于上弦桿靠近大節(jié)點附近截面的下緣。
橫向方面,微彎板的承載能力在超重車靠中線時行駛的情況下尚可,但無富裕。以當(dāng)時橋面的開裂破損程度,受力斷面尺寸將有所削弱,應(yīng)引起足夠重視。基礎(chǔ)方面,由于掛車對基礎(chǔ)影響不大,計算未考慮在內(nèi),只能有待于試驗進一步證明。
2·3 檢算的結(jié)論
(1)原橋拱腳上緣出現(xiàn)嚴(yán)重開裂,并相應(yīng)造成八字墻斷裂的主要原因是組合式橋臺產(chǎn)生了較大水平位移 (位移大于10mm)。
(2)橫向橋面微彎板的承載能力在超重車靠中線行駛的情況下尚可,但無富裕。
(3)北門橋如完全按照原設(shè)計圖紙施工,承載能力將達不到汽-20等級的荷載要求。
(4)北門橋如不進行加固就通行超重平板車,上弦桿基本所有的控制斷面和拱腳、拱頂斷面的承載力都不夠,全橋?qū)逅?br/>
3 加固設(shè)計和施工
3·1 設(shè)計方案的確定
老橋承載力的檢算分析結(jié)果表明應(yīng)對老橋進行全面加固。北門橋是一座危橋,所以依靠加固后的永久性橋梁結(jié)構(gòu)來滿足通行重載的要求是一個兩全方案,既加固了危橋,又通行了重載。基于上述原則,考慮到以下細(xì)節(jié),加固選擇以增大受力截面和配筋為主的方案。
(1)竣工資料不全影響到加固方案的計算與設(shè)計,計算時無法知道原截面的配筋量。只有鑿出原有主筋,才能知道需加配的鋼筋數(shù)量。
(2)通過計算可知最不利截面需對應(yīng)配13Φ22,而每片上弦桿及實腹段的下緣僅寬30cm,所以必須加大受力截面,才能布下這些受力鋼筋。
(3)全橋存在蜂窩麻面、露筋、少數(shù)斷面結(jié)構(gòu)尺寸偏小等施工質(zhì)量問題,不打開原截面,將給整個加固工程留下隱患。
(4)增大受力截面和配筋的方法概念明確,而且改造徹底。
(5)受力不大的區(qū)域采用環(huán)氧樹脂粘貼鋼板打鉚釘法加固,簡便、快速、有效。
3·2 設(shè)計與施工要點
計算可知副孔的薄弱位置在跨中下緣,主孔的薄弱位置出現(xiàn)在拱腳上緣、拱頂下緣、大節(jié)點與小節(jié)點的上緣等地方,其中最不利位置位于上弦桿靠近大節(jié)點附近截面的下緣。依據(jù)不同的受力狀況,分別采用了增大受力截面和配筋法、環(huán)氧樹脂粘貼鋼板法。
(1)拱腳上緣
將拱腿的拱腳斷面保護層鑿開,現(xiàn)有裂縫用環(huán)氧樹脂填死閉合,將鋼板(鋼板長2·5m)定位,并使鋼板邊緣與原箍筋焊接,鋼板中部用鉚釘加固。加箍新的箍筋,并焊在鋼板上,綁上主筋形成鋼筋骨架。再用環(huán)氧樹脂填充原混凝土表面和鋼板間的縫隙。然后外包澆筑新的混凝土。
(2)上弦桿及實腹段下緣
主孔:分別鑿開每片上弦桿及實腹段的側(cè)面和下緣保護層,露出主筋和箍筋,將箍筋接長,焊上新的箍筋,焊接長度不小于10d,綁上主筋形成鋼筋骨架,然后澆筑新的混凝土。靠近支座的弦桿與副孔主梁由于受力不大,采用環(huán)氧樹脂粘貼鋼板打鉚釘法加固。實際施工時發(fā)現(xiàn)原截面混凝土有部分蜂窩麻面情況,全部采用環(huán)氧樹脂封閉加固。
(3)橋面系全面加固
加設(shè)橋面鋼筋。除配常規(guī)的構(gòu)造鋼筋外,另加設(shè)受力鋼筋,縱橋向布置起抗拉作用,橫橋向布置以提高微彎橋面板的承載力。施工時鑿毛橋面露出原橋面鋼筋后,每隔30cm布置鋼筋錨栓,使新老橋面鋼筋都與之焊接,在沖洗干凈充分濕潤后才澆筑新橋面混凝土。但實際施工時,發(fā)現(xiàn)老橋的橋面板厚度參差不齊,最薄處僅有12cm,距設(shè)計板厚22cm相差甚遠(yuǎn),經(jīng)過結(jié)構(gòu)計算后,變更設(shè)計,加厚新橋面10cm。
4 荷載試驗
4·1 主要測試截面及測試內(nèi)容
根據(jù)交通部頒布的試行辦法[2],結(jié)合理論檢算的情況,選取測試的主要內(nèi)容有:
(1)各受力桿件控制截面的應(yīng)變和應(yīng)力。
(2)各受力桿件控制截面的撓度及橋臺的水平位移。
(3)各受力桿件的裂縫情況及其寬度值。
4·2 試驗荷載的選擇與加載位置、測點位置的確定
靜載試驗采用等效荷載原則,為安全起見,靜載試驗荷載控制在超重平板車荷載的80%左右,采用4輛太脫拉型自卸車模擬超重平板車,每輛重車總重300kN,其中前軸重約60kN,后軸重240kN,總加載噸位為1 200kN,根據(jù)計算荷載效率在0·783-0·838之間。
縱向加載位置具體視平面桿系程序計算出的控制截面影響線而定,橫向位置始終居中。測點主要布置在2號、3號拱肋和弦桿相應(yīng)的控制斷面上。
4·3 荷載試驗的結(jié)果與結(jié)論
對荷載試驗成果進行整理,得出最不利工況下?lián)隙群蛻?yīng)力的評定匯總表,見表2和表3。橋臺水平位移的檢測結(jié)果見表4。
試驗前,對各構(gòu)件存在的肉眼能觀察到裂縫進行觀察和測量,在恒載作用下,在實施加固的截面基本沒有裂縫,僅在3號實腹段和弦桿下緣分別觀察到3條微裂縫。橫隔梁(未進行加固)共觀察到20條裂縫,裂縫寬度在0·08-0·2mm范圍內(nèi)。
在試驗荷載作用下,所有拱腳均無裂縫出現(xiàn); 2號拱肋實腹段新增1條裂縫, 2號弦桿新增3條裂縫; 3號實腹段新增3條裂縫, 3號弦桿新增1條裂縫;裂縫寬度均在0·08~0·05mm范圍內(nèi),卸載后裂縫寬度基本閉合。橫隔梁新增6條裂縫,且老裂縫有所發(fā)展,裂縫寬度在0·08-0·3mm范圍內(nèi),卸載后裂縫寬度恢復(fù)到原有水平。
靜載試驗結(jié)果表明:加固后2號、3號拱肋和弦桿在彈性范圍內(nèi)工作,橋面基礎(chǔ)在次重車加載的情況下幾乎沒有位移,整體結(jié)構(gòu)剛度和強度都能滿足超重平板車的通行要求.
5 結(jié)語
通過此次加固, 160t超重平板車順利通過了北門橋,同時該橋也轉(zhuǎn)危為安,承載能力得到很大提高,可謂一舉兩得。在對剛架拱橋這樣的復(fù)雜受力體系上,擴大受力截面和配筋的加固方案充分顯示了它工期短、費用省、概念明確、改造徹底的優(yōu)點,具有一定借鑒和推廣價值。另外從整個方案的實施過程我們的體會是:在病害嚴(yán)重的橋上通過特種荷載,實施上具有一定的風(fēng)險性。整個加固過程都必須采取十分慎重的態(tài)度,考慮周全,始終把安全放在首位,理論聯(lián)系實際,即在設(shè)計單位嚴(yán)格檢算和周全設(shè)計,施工及監(jiān)理單位按設(shè)計意圖精心施工后,還要對加固后橋梁作檢測工作,試通過次重車,作好各項數(shù)據(jù)的詳細(xì)觀測和記錄,取得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)檢測資料,與理論計算相比較,經(jīng)分析得出安全穩(wěn)妥的結(jié)論后,方能通過重車。
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