大跨度箱肋式拱桥病害分析及加固措施

大跨度箱肋式拱桥病害分析及加固措施

0拱肋的加固方法讨论混凝土箱形拱桥是在板拱桥的基础上发展起来的。可以通过少量截面积获得较大的截面阻力，减少拱桥的重量，主要用于大、中、径拱桥。但箱肋拱桥的结构整体性较差,各拱肋间的横向不均匀变形较大,从而使梁式拱上建筑破坏较为严重;另外,拱肋的箱壁较薄,承载能力的富余不大,在超载作用下,拱肋开裂严重。拱肋开裂、拱上建筑易于破坏是该类拱桥的通病,寻找一种行之有效并兼顾施工和社会经济效益的箱肋拱桥加固方法是值得探讨的课题。广西桂柳高速公路五里大桥的结构类型和病害特点非常具有代表性,因此本文以该桥为依托项目,在分析病害成因的基础上,探讨了拱肋和拱上建筑的加固方法和加固效果,为同类桥梁的加固、维修和设计提供参考。1五里桥的外观和疾病的病因分析1.1桥面形制及锚索安装五里大桥是广西桂林至柳州高速公路上一座两孔净跨80m的分离式、双幅等截面悬链线钢筋混凝土箱肋拱桥,其结构如图1所示。全桥长197.9m,桥面总宽26.78m。上游幅有3条拱肋,下游幅为双拱肋,拱轴系数为2.24,拱肋高1.5m,宽2.4m,均为单箱双室截面,拱肋混凝土强度等级为C40。上游幅的拱上建筑为三立柱排式盖梁,下游幅为双立柱排式盖梁;立柱与盖梁固结,混凝土标号为C30。桥面系为横向刚接的空心板,桥面铺装为10cm厚的钢筋混凝土。两侧桥台均采用重力式桥台、扩大基础;中间桥墩为重力式空心桥墩、桩基础。1.2拱肋典型病害主要成因五里大桥于1997年建成通车,至今已运营10a,由于设计、施工以及后期超负荷运营等原因,导致大桥出现一定程度的病害,经过现场检查,全桥病害综述如下:(1)箱形拱肋底部多处出现较宽的横向裂缝,最大缝宽0.8mm,说明拱肋在超载作用下抗弯承载力不足。(2)拱肋的两拱箱间纵向接缝不密实,甚至夹杂有黄泥,拱肋与横隔板接头等处混凝土局部露筋或空洞。(3)拱肋间横隔板出现横向、竖向或斜裂缝,基本贯穿整个横系梁,裂缝宽度在0.1～0.5mm之间。(4)多数盖梁支点和跨中以及部分立柱顶部开裂,其裂缝主要表现为竖向、横向弯曲裂缝,弯曲裂缝分布在盖梁跨中底面和侧面、立柱和盖梁固结处的顶面与侧面,裂缝宽度介于0.05～0.4mm之间,而且有些裂缝已贯穿整个截面。(5)2#桥台和4#桥台上在内侧两拱肋之间均发现竖向裂缝,裂缝宽度在0.02～0.3mm之间;3#桥墩墩帽上在双拱肋幅与三拱肋幅分界处两侧对称出现竖向裂缝,裂缝宽度为0.2mm。五里大桥典型病害如图2所示。通过荷载试验和外观检测,经计算分析,得出五里大桥的上述病害主要成因:(1)一般情况下,箱肋拱的拱肋腹板厚度为12～15cm、顶底板厚度为15～22cm,而五里桥拱肋腹板和顶底板厚度分别为10、12cm,拱肋箱壁偏薄。(2)每根拱肋两箱间的纵向接缝不密实,很多位置存在空洞或夹杂黄泥,这会进一步降低拱肋的有效受力面积,使其承载力降低。(3)经过计算,在设计荷载作用下,大桥的拱肋和拱上盖梁的强度能够满足规范要求,但其承载力的富余程度不大;而桥上40～50t的重载车辆较多,甚至还有80t左右的重车,超载现象十分严重,此时构件的承载能力将不再满足规范要求。(4)当活载作用在某一拱肋上时,受载拱肋与非受载拱肋间的变形差较大,说明拱肋间的横向联系较弱,荷载横向分配能力较差。2灌胶封闭加固由于五里大桥的病害主要是由于超载车辆作用下部分构件承载力不足大和上部结构横向联系较弱造成的,因此必须从提高构件的承载能力和加强横向整体性入手;同时又要兼顾不能封闭桥上交通、施工简便快捷、维修费用较低等因素。改造前通过仔细调查和检测,摸清了桥梁的运营情况及病害程度。主要采用如下加固措施:(1)对桥梁结构中拱肋、横隔板、立柱、盖梁和墩台的开裂部位进行灌胶封闭处理;每根拱肋两拱箱间的纵缝需压水泥浆灌实;拱肋节段接缝及与横隔板连接处的破损需灌浆修补。(2)每根拱肋的底部粘贴6mm厚的Q235钢板,钢板与混凝土构件采用药包式化学螺栓锚固,以提高结构的承载力,拱肋加固如图3所示。(3)鉴于盖梁支点、跨中等位置的钢筋混凝土受弯开裂严重,除对其裂缝进行封闭外,还在盖梁支点处的两侧面顶部粘贴型钢(盖梁顶面由于桥面系的存在难于粘贴钢板),以提高其抵抗负弯矩的能力;同时在盖梁跨中底部一定范围内粘贴6mm厚的Q235钢板,以提高其抵抗正弯矩的能力,如图4所示。(4)由于拱肋间的横向联系较弱,导致相邻拱肋变形不同步,荷载横向分配能力较差。因此在1#～5#立柱之间加设X型或K型横向钢斜撑(钢筋混凝土斜撑自重大),以提高结构的整体受力性能,改善各拱肋间的荷载横向分配情况。如图4所示,拱脚附近较高的立柱,采用X型钢斜撑,而拱顶附近的较矮立柱,则采用K型钢斜撑。3加固后构件截面的计算拱脚、拱顶以及盖梁支点、跨中开裂是五里桥的最大病害,因此需对这些截面进行计算,计算的内容包括加固后构件截面的承载能力提高情况及加强横向联系后单根拱肋内力降低程度。3.1关键截面弯矩对比根据原结构和加固方案确定五里大桥的空间有限元梁格模型如图5所示,分析中为了考虑拱肋之间的联合作用,取全桥结构(计入拱圈、立柱、盖梁、桥面板的共同作用)进行空间分析。分析模型共划分1197个节点,2221个空间梁单元。活载计算参数:设计荷载:公路Ⅰ级,温度效应按整体温升、温降15℃,考虑混凝土收缩徐变,加载龄期15d。根据空间有限元分析结果,加设钢斜撑前、后单根拱肋控制截面的弯矩结果对比见表1。从表(1)结果可看出:原结构增设斜撑后,并采用新桥梁设计规范规定的移动活载类型后,各关键截面在荷载组合下的的弯矩会大大下降,降低幅度基本上在10%以上,效果很明显。这说明了在增设钢斜撑后大大地增强了结构的刚度,使结构整体性加强,拱肋间的联合作用增加显著,拱肋在活载偏载作用时共同变形能力加强,导致横向分配趋于均匀,因此通过增设拱上立柱斜撑能有效地改善拱肋共同受力问题。3.2焊接结构钢板后的计算拱肋和盖梁粘贴6mm钢板或14a型钢后,将钢板或型钢看成受拉钢筋,其计算模式如图6所示,截面的抗弯承载力计算公式如下:(1)截面抗弯承载力受压区高度:x=RsAs+RgAg−(R′g−Ra)A′gRabx=RsAs+RgAg-(R′g-Ra)A′gRab,(1)若x≥2a,则截面抗弯承载力:Mu=RsAshs+RgAghg-Rabx(x/2-a),(2)若x<2a,则:Mu=Rsashs+RgAghg。(3)(2)拱肋腹板抗弯强度如果截面塑性中和轴在拱肋顶板内,则其抗弯承载力可按式(1)～(3)计算。如果截面塑性中和轴在拱肋腹板内,则按式(4)、(5)计算。受压区高度:x=RsAs+RgAg−Ratc(b−tu)−(R′g−Ra)A′gRatux=RsAs+RgAg-Ratc(b-tu)-(R′g-Ra)A′gRatu,(4)截面抗弯承载力:Mu=RsAshs+RgAghg−Ratu(x−tc)(x+tc2−a)Μu=RsAshs+RgAghg-Ratu(x-tc)(x+tc2-a),(5)式中,Rs、Rg为钢板(型钢)、钢筋抗拉设计强度;R′g、Ra为钢筋、混凝土抗压设计强度;A为相应各种钢材的横截面积;tu=2t1+t2为拱肋腹板总厚度;其余参数含义见图6。加固后控制截面抗弯计算结果如表2所示。从表2中结果可以看出:加固前,拱肋抗弯承载力低于设计计算值,承载力不足;盖梁截面抗弯承载力富余不大。加固后,拱肋和盖梁的抗弯承载力有较大提高,能够满足结构强度要求。说明五里大桥现有承载力能达到公路I级荷载标准,并有一定的抗超载能力。4加固前、后的静动载试验对比五里大桥于2006年春节前加固完毕,工期一个半月、造价300万左右。施工过程中并未影响桥面车辆的通行。为了检验加固效果,对加固后的桥梁结构进行了静、动载试验,试验荷载等级和静载试验效率上均比加固前的静载试验大,加固前、后的静动载试验结果对比如表3所示。从加固前、后的荷载试验结果来看,加固后拱肋实测挠度值小于加固前30%左右,基频增加35%以上,表明加固后大桥的竖向刚度有了较为明显的提高。拱肋的横向分布系数降低10%左右,表明立柱间增设斜撑的措施,加强了拱肋间的横向联系,提高了桥梁的整体受力性能。冲击系数降低了12%以上,表明加固后桥梁的行车平稳性大大提高。另外,经过半年来的运营,桥梁原有病害得到较好的修补和加固,至今无新的裂缝和其它病害出现。说明该桥的加固改造效果良好,取得了较好的经济效益和社会效益。5加固、改造研究目前我国高速公路上车辆超载现象较为普遍,交通流量也较大,随着桥梁负荷加重以及桥梁构件的不断老化,许多桥梁都出现了不同程度的病害,危旧桥梁的加固、维修、改造已经成为亟待解决的课题,需要我们桥梁工作者进一步