刚架拱桥病害特点与防治对策

1、刚架拱桥病害特点与防治对策刘云川1,刘建民2,王志辉3(1.江西省公路桥梁监理咨询中心,江西南昌330006;2.菏泽公路局监理公司,山东菏泽274003;3.山东交通学院土木工程系,山东济南250023摘要:结合山东省刚架拱桥的结构特点以及目前的病害情况,总结几年来维修加固的效果,从结构分析、加固方案经济性、施工可行性角度,初步提出了相应的维修加固方案与改进对策。关键词:刚架拱桥;病害;维修加固;对策中图分类号:U448.23文献标识码:A 文章编号:1672-0032(200602-0026-03收稿日期:2006-04-20基金项目:山东省交通科技计划项目(200418Y 01作者简介:

2、刘云川(1964-,男,江西都昌人,江西省公路桥梁监理咨询中心高级工程师.山东省道路主干线上刚架拱桥36座,其中特大桥3座,大桥20座,中桥13座,桥龄于1520a 之间。该类桥是目前跨径3060m 桥梁的主要桥型,在交通中起到十分重要的作用。近几年来,交通量大增,车辆轴荷明显增大,桥梁结构构件经常损坏,使得该类桥已经进入维修期,技术状况均为34类,个别更低,甚至出现封桥现象。刚架拱桥的维修加固工作日益显现,而且越来越繁重。在国内其他省份与地区刚架拱桥也出现了不同程度的病害1-2,并试图进行桥型改进3。1刚架拱桥结构特点刚架拱桥为有水平推力的高次超静定结构,适合跨径为2570m 。刚架拱片是刚

3、架拱桥的主要承重构件,一般由跨中实腹段的主梁、空腹段的次梁主拱腿、次拱腿等构成。刚架拱片的施工一般采取分段预制后装配的方法。横向联系梁(横隔板起横向联系的作用,可增强结构的整体性,并有利于荷载横向分布。理论上,在恒载作用下,刚架拱桥各构件的弯矩达到最小。控制截面为:跨中截面的最大正弯矩、节点截面的最大负弯矩、柱脚截面的最大负弯矩和最大水平推力。钢筋混凝土刚架拱桥因其外形轻巧美观、质量小、造价低、整体性好、桥下净空大、施工方便、受力合理、节省材料的优点,在20世纪七八十年代在我国大量修建。相对于当时的交通量及荷载等级,此类拱桥还是合理的、适用的。2病害特点1主拱腿、次拱腿根部(拱脚处、联系梁上缘

4、裂缝。主拱腿作为主要承重构件,直接决定着桥梁的安全性,调查表明刚架拱尚未出现明显的破坏性损伤,个别出现拱脚裂缝,并不影响其承载力。2上弦杆、主节点、次节点结合部位裂缝。上弦杆、主节点、次节点结合部位出现的裂缝具有一定的普遍性。如果裂缝宽度没有超过规范值,而且裂缝宽度比较稳定,对承载能力影响不大。3横向联系梁损坏明显。横向联系梁起到横向分布荷载的作用,其脱落现象与施工有一定的关系,节点钢板的焊接不当将降低节点的刚度。4微弯板裂缝、穿孔、断裂甚至塌陷。此类裂缝主要发生在微弯板底面。微弯板是刚架拱传力的第一步,车轮荷载直接作用在微弯板上,形成集中力。超载车增多,微弯板配筋较少,使得微弯板普遍损第14

5、卷第2期2006年6月山东交通学院学报JOURNA L OF SH ANDONG J IAOT ONG UNIVERSITY V ol.14N o.2Jun.2006第2期刘云川等:刚架拱桥病害特点与防治对策27坏,出现纵裂、泛白,以致断裂,影响到生命与财产的安全。5桥面裂缝。桥面裂缝极为严重,大部分裂缝属于微弯板接缝开裂或板本身裂缝反射到桥面上,形成有规则的纵、横向网状裂缝。同时,桥面负弯矩区也产生较严重开裂。3病害原因刚架拱桥具有自重较轻、用钢量较少等优点,符合当时我国的经济情况。但是,由于刚架拱具有合理的拱轴线,在恒荷载作用下,各构件的弯矩较小。而目前车辆荷载增加较大,远远超出原设计。同

6、时各构件均为偏压或受弯构件,且截面尺寸相对较小,对荷载的增加十分敏感。在动荷载作用下,刚度较小,振动较大。动荷载对刚架拱的内力影响较大,相应地造成结构裂缝出现,形成破坏,主要表现为:1超载潜力小。不超载时,刚架拱桥各构件工作尚属正常。一旦超载车增多,或桥面路况不好,桥面引起较大的跳车、冲击、振动,就会发生较大变形,造成控制截面承载力不足,致使各构件的薄弱面出现裂缝。2整体刚度差。由于结构轻型,又是预制安装,使得主拱肋、微弯板、混凝土填平层及桥面铺装四者之间的连接强度不足;横向、纵向刚度均弱,变形较大;在超载车作用下变形超标,极易引起构件开裂;经常出现拱腿脱落,主次拱腿与节点连接处开裂的现象。3

7、动力效应明显。由于桥面不平整引起的冲击、振动会强烈地影响着各构件的受力,且这种冲击、振动长时间影响着构件,加速了主要受力构件的疲劳破坏。因此,为了减少动力效应,日常维修养护工作应及时,发现桥面裂缝、坑槽等应尽快修补,保持桥面良好的运营状态。4微弯板局部强度低。微弯板内配筋较少,在重车作用下微弯板开裂、断板乃至塌陷时有发生。5节点弱化现象。刚架拱是二次拼装而形成的,节点连接钢板处易出现节点弱化现象,出现横隔梁脱落现象。从结构分析上来说,在刚性节点的假定情况下,杆件破坏的部位在距离杆端5cm左右,破坏时节点保持完好,而实际上由于装配时施工质量的问题,造成节点刚度弱化,使得杆件破坏发生在节点连接部位

8、。6横向整体性较差。全桥虽然有一定的整体性,但总的来说整体性还是比较差的,桥面板的刚度主要沿横桥向分布,当荷载是偏载作用时,另外拱肋所承担的力和弯矩远小于受力一侧拱肋。清水河刚架拱桥位于国道G204线上,全长204m,经过长期的运营,质量明显下降,出现了上述的典型病害。静载试验表明,主拱拱顶正面截面强度与刚度满足试验荷载的要求,但其承载力潜力不足,在现有质量情况下,安全度较低,如有超载处理本桥安全性将受到严重威胁。动载测得的一阶振动频率为2.45H z,不能满足混凝土桥梁竖向振动频率不小于3.0H z的要求,实测的阻尼为1.89,表明动力性能较差,这与整体上部结构出现多处裂缝有关。上述原因的出

9、现与全桥承载力相对与车辆超载的安全度不足相关,同时也与刚架拱的刚度降低、动力性能不足有关。4维护对策4.1加强日常维护与小修刚架拱上部结构由微弯板、横系梁、次拱腿、次梁、主拱腿组成,每一个构件均发挥着不同的作用,每一个部位出现破坏均会破坏原有的设计传力体系,可能造成整个桥的破坏,因此刚架拱的养护要做到及时维修加固。及时的小修可推迟大修的到来,达到节省维修养护费用的目的。4.2维修加固要全面统筹对刚架拱的加固要做到全面统筹,保证维修加固后各构件具有相同的承载力、耐久性和可靠度。韩庄刚架拱进行了主拱圈的增大和断面加固,但是时过2a,次梁出现了超出养护规范宽度的裂缝。4.3改进桥型通过几何尺寸的拓扑

10、优化,使得该类桥实现现有荷载下的合理轴线;根据现有的设计规范对截面尺寸、配筋进行优化;结合现有的施工方法与技术水平,对施工过程进行优化。结合现行的规范对刚架拱桥的性能进行全面的改进,解决刚架拱超载潜力小、整体刚度弱、动力效应影响大、微弯板局部强度低、横向整体性较差等缺点。5加固方案5.1加固原则1尽量保持原拱轴线。刚架拱是由桁架拱桥和斜腿刚架桥发展起来的一种桥梁结构形式,具有合理的拱轴线。在合理拱轴线下构件的弯矩较小,构件的材料强度方可得到有效的发挥,因此尽量不要破坏其合理、经济的拱轴线。2增大结构抵抗车辆荷载的能力。刚架拱结构本身对外增荷载较为敏感,其加固应增加整体结构的竖向、横向刚度。在满

11、足结构承载力的前提下,减小其振动性,减小动力荷载对结构损伤的程度。5.2加固方案比选桥梁加固方案的选取及其经济合理性直接与桥型、桥梁受力特点、选用材料等密切相关,因此加固设计前要根据现场病害情况仔细分析其原因,从设计施工的经验、施工方法与难易程度、主要工程数量、施工周期和全桥工程造价等方面找出最科学经济的加固办法,同时还要考虑施工对环境、加固效果等。表1为常用桥梁加固方法的比较。笔者认为宜采用贴钢板条的方法来加固刚架拱,它可以增大刚架拱的刚度,弥补结构自身的弱点;同时不改变结构的拱轴线;施工、设计经验十分成熟。表13种桥梁加固方案加固方案粘贴钢板条法增大断面法粘贴碳纤维布法设计经验常用方法,有

12、成熟的设计经验设计经验较为丰富,可以有效地增加截面的几何参数在加固立柱和受弯构件中有较为广泛应用,较少用于刚架拱斜截面抗剪加固,也没有较为成功的工程实例,设计经验尚不成熟施工方法与难易程度施工方法简单、易于操作、技术要求不高,但施工比较麻烦施工较为方便只需用树脂将碳纤维布粘贴在渊洁构的表面上,施工方便,但技术要求高施工工期较长较长较短主要工程量较低较低较高5.3清水河刚架拱桥加固实例桥梁加固方案的选取及其经济合理性直接与桥型、桥梁受力特点、选用材料等密切相关,因此加固设计前要根据现场病害情况仔细分析其原因,找出最科学经济的加固方法。针对清水河桥的病害,采取加固措施为:1拆除原来桥面铺装层,更换

13、微弯板,由新的预制桥面板和现浇混凝土层组成;2对拱片、斜撑以及弦杆进行加固,提高其承载力;3对开裂裂缝进行封缝,恢复桥梁的耐久性;4加固采用粘贴钢板法,在不该变合理轴线的前提下,提高桥梁的整体刚度,减小振动。在桥梁加固新材料和加固方法方面,目前国内尚未有统一的技术规范及质量控制标准,因此为了保证桥梁加固施工质量,很有必要制定相应的行业规范及其施工质量的控制方法。参考文献:1刘洪瑞,周俊锋.超载作用下刚架拱桥的病害分析与防治J,广东工业大学学报,2003,20(2:42-45.2谌润水,胡钊芳,帅长斌.公路旧桥加固技术与实例M.北京:人民交通出版社,2002:145-172.3赵彤,谢剑.碳纤维

14、布补强加固混凝土结构新技术M.天津:天津大学出版社,2001:31-52.(下转第37页 28山东交通学院学报2006年6月第14卷第2期赵桂娟等:水泥混凝土路面抗滑性能研究372安道晶,宋燕玲,苗俊德.采用刻槽工艺提高水泥砼路面抗滑构造深度J.山西交通科技,2002,(1:19-20.3徐镇.浅谈水泥混凝土路面的防滑性能J.施工采用技术研究与应用,2002,(4:46-47.4孙江,肖益民.高等级公路水泥砼路面不等距压槽的研究J.华东公路,2001,(2:31-34.5张凤利.浅析提高混凝土路面使用质量的技术措施J.山西建筑,2002,(7:150-151.6庄学理,张旭,徐路江.水泥混凝土

15、路面防滑问题初探J.黑龙江交通科技,2001,(4:23-24.7张文君,宋宝春,冯大南.水泥混凝土路面抗滑问题的探讨J.森林工程,2002,(4:48-49.8吴洪洋.低噪声水泥混凝土路面的适应性研究J.贵州工业大学学报(自然科学版,2003,32(1:79-81.R esearch on the Anti-Sliding Perform ance ofCement Concrete P avementZH AO Gui-juan1,G UO Ping2,ZHOU Xin-feng2,CHENG De-gang3(1.School o f Architecture and Civil Eng

16、ineering,Xian Univer sity o f Science and Technology,Xian710054,China2.Xian Highway Research Institute,Xian710054,China;3.Jining Highway Bureau,Jining272100,ChinaAbstract:The anti-sliding performance of the cement concrete pavement is one of the factors that affect the use quality of pavement.The ar

17、ticle aims at im proving the anti-sliding performance of pavement from the aspects of material choices,structure designs and construction techniques in the light of several factors affecting the anti-sliding performance of pavement.At the sametime,based on the observation of several trial roads in J

18、ilin province,it als o puts forward the reas onable cross-section form of notch groove which is suitable for the cement concrete pavement,the direction of notch groove,the appropriate carving time as well as the selection of the notch groove machines.K ey w ords:cement concrete pavement;anti-sliding performance;use quality;construction technique;notch groove(责任编辑:郎伟锋 (上接第28页Characteristics and Control Measures of Rigid-FramedArch B ridge DiseasesLIU Yun-chuan1,LIU Jian-min2,WANG Zhi-hui3(1.Road Checking and Consulting Centre o f Jiangxi Prov.,Nanchang330006,Ch