关于钢筋砼双曲拱桥加固维修的一些分析

关于钢筋砼双曲拱桥加固维修的一些分析

张金泉

[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）