[关键词]钢筋砼双曲拱桥梁加固工程实例分析主拱圈
Reinforcedconcretearchbridgeonthehyperbolicreinforcementofthemaintenanceofsomeoftheanalysis
ZHANGJinquan
(Wenzhouhighwayengineeringdesignfirm,Wenzhou,Zhejiang325027,China)
[Abstract]Basedondoublereinforcedconcretearchbridgeduringconstructionofalongerandlargerspan,onthebasisofastrong,justnotsatisfiedwiththemainarchoftheexistingtrafficandheavyvehiclesusethehyperbolicreinforcedconcretearchbridge,forexamplethroughthereinforcedconcretehyperbolicarchbridgeStructuralanalysis,andtotakereinforcement,sothatthemainringtoincreasecapacity,continuetoplayanoldbridgeeconomicandsocialbenefits.
[Keywords]Reinforcedconcretehyperbolicarch;Bridge;Reinforcement;
Project;Analysis;Mainring
一、引言
钢筋砼双曲拱桥,由于跨度较大和相对经济,作为七八十年代公路大中型桥梁而广泛存在。随着我国经济的快速发展,交通量快速增加和重车的大量通行,原来施工较为落后和设计桥梁荷载相对较低,使钢筋砼双曲拱桥较频繁地出现:桥面开裂,腹拱圈开裂、断裂,主拱圈出现裂缝等病害。虽然拱桥基础完好,但这些病害严重威胁桥梁的安全,况且双曲拱桥桥下净高都较大,对交通安全存在极大隐患,不可不引起重视。
对于基础较好的钢筋砼双曲拱桥,通过结构受力分析,适当地改变部分拱上结构,并对主拱圈进行加固,使其提高荷载抗力,是可以继续发挥钢筋砼双曲拱桥的结构和经济优势,继续为经济社会发展服务。
二、具体工程实例
1、桥梁概况
浙江省温州市永嘉县塘湾大桥横跨楠溪江,中心桩号为K0+470.65,于1978年12月建成通车。塘湾大桥桥跨组合采用5×46m的无铰双曲拱,拱轴线为悬链线,拱轴系数m=2.814,桥梁全长274.5m,桥全宽8.6m:7m(行车道)+2×0.8m(人行道)。
桥梁上部结构采用5肋+4波的钢筋混凝土双曲拱,肋距1.93m,主拱圈全宽8m,拱肋底宽28cm、高45cm。拱圈净跨径46m,设计跨径46.875m,净矢高为7.66m,矢跨比为1/6。边肋采用“L”形截面,中肋为倒“T”形截面。拱波为预制混凝土构件,厚8cm净跨为165cm,净矢高为82.5cm,矢跨比为1/2。现浇拱板厚13.5cm;横隔板为厚10cm,高99cm的钢筋混凝土构件。主拱上设10个腹孔,其中8个明腹孔,2个暗腹孔,腹拱墩采用浆砌块石组成(见图1、2。)。
桥梁下部构造采用石砌重力式墩台,其中桥墩基础为低桩承台,每个承台打入30×30×800cm钢筋混凝土小方桩,桥墩基底四周铺设钢筋混凝土席块。桥梁下部构造质量良好。
2、桥梁技术评定
根据该桥检测报告结果,依照《公路桥涵养护规范》(JTGH11—2004)的要求,对该桥总体技术状况等级评定,全桥结构技术状况综合评分Dr=47.8,评定该桥为三类桥。
3、加固修复方案
根据桥梁各部位构造的评定,主拱圈,横墙盖梁、腹孔拱圈,桥面系都在修复加固之列。
修复加固方式,一可以减少上部横载,提高安全系数;二加固主拱圈提高荷载抗力。塘湾双曲拱桥的病害情况,兼采用上面两种方式:①凿除桥面系后,把腹孔拱圈更换为先简支后连续板式结构,与之配套就是横墙盖梁的修复及加高;②在上部结构减轻横载后,同时加固主拱圈,采用粘贴碳纤维材料或增大主拱圈截面积,加强截面抗弯拉应力。
4、按现状验算主拱圈承载力
塘湾大桥原桥单孔构造如下图:
塘湾大桥拱式结构改为板式结构后,单孔构造如下图:
以便结构受力分析,现将板式结构改造方案的具体内容分述如下:
4-1、桥面系
原桥面铺装层破损严重,同时由于腹孔拱板改板的需要,原桥面铺装砼凿除后重新浇筑,更换全桥伸缩缝。
(1)新桥面铺装横坡1.5%,为减轻拱上结构自重,横坡由立墙帽调整,铺装层厚均为10cm,采用C40砼,Φ12@10×10cm钢筋网。
(2)更换全桥伸缩缝,在墩顶中心及桥台各设置GQF-C40伸缩缝一道。
(3)拆除原桥人行道板与栏杆,改建为50cm宽钢筋砼防撞护栏。
桥面系采用拆建的方式,较每跨原桥面系的恒载减少737KN。
4-2、腹孔拱波更换为矩形板
原桥腹孔拱波断裂严重,是原桥最薄弱的构件。靠近桥墩中心线两侧的腹拱波厚度为20cm,其余腹拱波厚度为10cm,每片宽度30cm,原设计腹拱波为250号砼。腹拱波构造图如下:
腹孔拱波为圆弧形双铰拱,计算跨径300cm,矢高50cm,矢跨比1/6,拱腹线的半径R=250cm。单片腹拱波整体强度差,只要有其中一片腹孔拱波跨中开裂成三铰拱时,又导致相邻腹孔拱波的开裂,破断;加之交通量日益增加,超载车辆的通行,腹孔拱波必须予以更换。
改腹孔拱波为板式结构;同时考虑砼护栏,在实腹拱段设置现较挑臂板。
双曲拱桥拱上结构加固经验,将拱式结构腹孔拱波改为板式结构,两者相比板式自重减少、结构较为轻巧,使作用在主拱圈上的恒载减小。如本施工图设计用厚26cm的连续板,每孔板自重为3249KN;虽较每孔拱背填料、侧墙等合计重量2715KN增加534KN,但综合桥面系则减少203KN,这无疑提高了主拱圈承载力。
4-3、验算主拱圈承载力
主拱圈正截面的承载能力,是大桥维修加固设计的重点。虽然上部恒载减轻,但由于主拱圈的拱波纵向裂缝拱波开裂占全桥的12.8%,在拱脚处的拱波断裂更多,裂缝可以进行灌浆封闭,要恢复到原设计状态是有问题的。在这一点上我们认为,主拱圈截面抗力不能满足设计荷载的要求。具体受力分析如下。
①设计主拱圈的组成
双曲拱桥的主拱圈是由拱肋,拱波(俗称瓦片)及拱板三部分组合而成,塘湾大桥的主拱圈组合构造见下图:
②主拱圈荷载组合验算
考虑到拱板、拱波的断裂现状,验算主拱圈承载力时,假设拱波退出组合截面,但仍保留其自重。这样假设略去拱波是偏安全的,也可作为结构上的安全储备。不计F2时组合截面的各项要素见上表4的最后一行。
将组合截面折算为换算面积,截面为114.0×39.4cm矩形(如下图),倒“T”拱肋中部与顶部钢筋换算面积不在下缘,在承载力的计算中不起作用,故略而不计。
根据塘湾大桥设计资料,各种荷载内力见表5。
注:以上两表中M单位为T—M,N单位为T。
③主拱圈承载能力
根据“检测报告”推定砼设计强度标号为25号,拱波拱板混凝土强度未测定。据了解塘湾大桥施工时,受到机械设备的限制,除拱肋混凝土用小型自落式拌和机外,拱波、拱板全用人工拌和。因此在验算承载力时,将混凝土标号降至为C20。强度设计值fcd=9.20MPa,ftd=1.06MPa。
由表6荷载组合内力,计算拱顶、拱脚截面的承载能力见表7
表7中单位为MPa,凡有“*”者,为设计承载力强度超过设计强度的截面,拱顶截面下缘拉应力不足,拱脚截面上缘拉应力工况超出37%,下缘压应力超出设计强度最大为67%。
5、主拱圈加固设计
由于将拱波退出了主拱圈的组成截面,使截面受到了削弱,导致了截面强度不足,加大现有主拱圈的截面是加固设计的主要措施,这就是“加大截面法”。加大截面有两种方案
①加强拱脚,加大拱脚截面
加大拱脚区段的截面使等截面无铰拱成为变截面无铰拱,增加拱脚截面的刚度也会增加拱脚截面的弯矩,只要能够求到加大拱脚的截面后,计算承载力强度不超过设计强度,验算才能通过。根据无铰拱的拱顶弯矩影响性质;在拱脚负弯矩影响区间上加载,会减少拱顶正弯矩。这点在直观上认为:拱脚部分压得愈重,拱脚截面大,在拱顶荷载下,拱脚不会翘起。这种加固方案方法有利于改善拱脚,拱顶两个控制截面受力状态,提高拱桥的承载能力。
加固方法:在拱脚段的拱板上植筋与加高部分的钢筋混凝土联结成整体,共同受力。
②粘贴碳纤维材料
碳纤维布或板,是一种新型复合型材料,具有质轻、耐腐蚀,抗拉设计标准强度是钢筋的10倍,施工便捷。近年来在旧桥加固中广泛使用,我市77省道延伸线灵昆大桥,苍南龙港大桥都是粘贴碳纤维材料加固取得预期的效果。
粘贴碳纤维材料是按下式:Acf=As×Ry/Rcf,(Acf—碳纤维材料面积;As—抵抗不足弯矩所需的普通钢筋面积;Rcf—碳纤维材料抗拉标准设计强度;Ry—钢筋抗拉标准设计强度)换算一定用量的碳纤维材料。按常规的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析和按桥涵设计规范(JTGD62-2004)进行截面配筋、稳定性、承载力等内容验算。塘湾桥主拱圈是属于小偏心受压构件,拱顶截面作用正弯矩,拱脚截面作用负弯矩。小偏心受压构件中受拉钢筋应力计算,是受拉区混凝土是否出现裂缝的关键,必须使其应力小于规范所规定钢筋的设计强度。
验算结果截面下缘贴CFS-120型碳纤维板一层。主拱圈截面上缘因拱板顶横截面成弧形,碳纤维板不能粘贴,故粘贴CF-30型碳纤维布一层,宽度450mm。
③两种加固方案的比较
方案一,须对原桥主拱圈拱脚负弯矩影响线长度内植筋钻孔,加大拱脚断面增加恒载,影响了活载通过能力;同时也增加基础荷载。加大拱脚断面后形成的无铰拱,拱背是一条不规则的几何曲线,线形不圆滑,影响外观。
方案二,对原桥主拱圈不作任何处理,保持原状,不增加恒载,加固后不存在方案一中各方面的缺陷,且施工方便,工艺成熟。
因此塘湾大桥主拱圈采用方案二,粘贴碳纤维材料加固。同时对一般裂缝的处理:凡裂缝宽度δ≥0.2mm,对裂缝灌压环氧浆处理;δ<0.2mm采用环氧胶封闭处理。
6、主要工程量及造价
工程主要数量及造价表
7、工程评价
通过以上腹拱改板,使每跨结构恒载减轻203KN,又通过碳纤维材料加固主拱圈,恢复了主拱圈的承载力。根据工程主要数量及造价表,老桥加固维修是较经济合理的。
三、结语
本文仅对钢筋砼双曲拱的某一类型,进行实例加固修复的受力分析,其它类型的双曲拱或拱桥也可以参考该工程实例的思路——改变上部受力结构,或同时加固主要承重结构(主拱圈),来修复、利用老桥,继续发挥拱桥的优势作用。
[参考文献]
[1]《公路工程技术标准》(JTGBO1—2003)
[2]《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004)
[3]《公路钢筋砼及预应力砼桥涵设计规范》(JTGD62—2004)
[4]《公路桥加固设计规范》(JTG/TJ22-2008)
[5]《公路桥梁加固施工技术规范》(JTG/TJ23-2008)
[6]《塘湾大桥竣工图》(1978.11)
[7]《温州塘湾桥检测报告》交通部公路工程检测中心(2008.06.30)
[8]童岳生,梁兴文编注•钢筋混凝土构件设计•北京•科学技术文献出版社,1995
附:
作者---张金泉,男,1980.3出生,2003.7月毕业于华东交通大学——道路与桥梁专业,助理工程师,籍贯福建省武夷山市,电话13806695292,E-mail:fjwyszjq@163.com,工作单位:温州公路工程设计事务所(浙江省温州市学院西路286号208室,325027)