雙曲拱加固提載技術(shù)研究及實踐

1、 雙曲拱加固提載技術(shù)研究與實踐 雙曲拱橋是我國在總結(jié)古老拱橋技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式，這種橋梁具有結(jié)構(gòu)新穎、輕巧、省料、便于施工、較高強度和穩(wěn)定性的特點，在上世紀六七十年代曾得到廣泛推廣。然而由于設(shè)計和施工經(jīng)驗不足以及其他種種原因，不少雙曲拱橋承載能力低，在使用一定時期后，就出現(xiàn)了不同程度的病害。隨著交通量和車輛載重的增加，橋梁存在著較大的安全隱患，同時現(xiàn)有橋梁一般位于交通咽喉部位，建設(shè)時占據(jù)了有利位置，推倒重建會長時間影響交通，且需要大量資金投入。因此正確分析橋梁病害原因，采取有效加固措施，該類橋還是可以繼續(xù)使用的。因此，對現(xiàn)有雙曲拱橋的結(jié)構(gòu)性能進行檢測和評價并提出加固方案，對于

2、保障橋梁結(jié)構(gòu)安全、保障交通暢通都具有重要意義。1、工程概況 大通河宏圖橋位于蘭州市紅古區(qū)河橋鎮(zhèn)，是連接連城鋁廠和當?shù)厝嗣衽c外交通的重要橋梁。該橋建始于上世紀六十年代末，1971年正式投入使用，設(shè)計荷載為汽-13，掛-60級，橋梁形式為445m上承式鋼筋混凝土雙曲拱橋，矢跨比為0.125，拱軸線為懸鏈線，全長192m，橋面寬8m，其中車行道6m，每側(cè)各1m人行道。主拱圈為六肋五波，拱肋斷面為矩形，250#鋼筋混凝土，橋墩(臺)為170#混凝土，基礎(chǔ)采用擴大明挖基礎(chǔ)，150#混凝土。橋址處年氣溫變化在-2040之間，多年少雨，氣候干燥。橋梁概貌見圖1。要求加固后橋梁承載能力滿足汽車-20級、掛車-

3、100的荷載標準。圖1 原橋概貌 2、病害狀況及原因分析 2.1 病害狀況 通過進行表觀損傷檢查、混凝土強度測定、碳化深度測定和動靜載試驗等一些檢測，該橋梁主要存在著以下病害： (1) 拱肋：全橋拱肋未發(fā)現(xiàn)有影響結(jié)構(gòu)受力的病害，但均出現(xiàn)少量的縱向裂縫，裂縫寬1mm左右，局部鋼筋有銹蝕痕跡，混凝土脹裂、脫落比較嚴重，拱墻與拱肋連接處有破壞情況，平均碳化深度達到6mm，實測抗壓強度21.4MPa。 (2) 拱波、橫系梁：各跨拱波均有較嚴重破壞，其中第二跨第四跨橫系梁有破壞，拱波中央出現(xiàn)縱向貫通裂縫，裂縫寬0.52mm，平均碳化深度達到6mm，實測抗壓強度15.7MPa。 (3) 腹拱圈及拱上側(cè)墻：

4、腹拱結(jié)構(gòu)破壞嚴重，許多腹孔及立墻上均有滲水痕跡，混凝土大片脫落，平均碳化深度達到8mm，實測抗壓強度15.1MPa。 (4) 橋臺(墩)、拱座：橋墩未發(fā)現(xiàn)有影響結(jié)構(gòu)受力的病害，但均存在豎向裂縫，其中0#橋臺12條、1#橋墩28條、3號橋墩32條、甜橋臺130條，長度均在13m之間，但裂縫多為早期出現(xiàn)的，裂縫寬0.12mm，因年代較久，沿縫出現(xiàn)白色晶體析出物，平均碳化深度達到9mm，實測抗壓強度18.7MPa。 (5) 橋面系：橋面鋪裝層及排水系統(tǒng)完全破壞，人行道路緣石受機動車撞壓，破壞嚴重，人行道欄桿損壞嚴重。橋面的損壞加大了車輛通行時產(chǎn)生的沖擊系數(shù)，嚴重影響了大橋的使用和舒適性，也加劇了橋梁

5、結(jié)構(gòu)的破壞。 2.2 成因分析 根據(jù)既有橋現(xiàn)狀，綜合分析產(chǎn)生病害的成因主要有以下三個方面的原因。 (1) 設(shè)計方面的原因 該橋修建于上世紀60年代末期，在構(gòu)造設(shè)計上反映了我國上世紀六、七十年代雙曲拱橋的設(shè)計特點，拱圈在構(gòu)造上整體性不好，其中主拱圈剛度相差懸殊，極易產(chǎn)生縱向收縮裂縫，也不利于橫向撓度及內(nèi)力的傳遞，重車偏載時極易出現(xiàn)拱波頂縱向裂縫，而且由于拱肋和拱波、拱板混凝土標號差異較大，增加了混凝土收縮差和溫差內(nèi)力。拱肋與拱波、拱板間結(jié)合面過小，聯(lián)結(jié)構(gòu)造太弱。該橋拱肋之間的橫向聯(lián)系薄弱，拱肋間橫系桿雖能滿足平衡拱波推力的需要，但剛度太小，屬半柔性構(gòu)件，對拱圈橫向整體性作用甚微。 (2) 施工方

6、面原因 該橋在施工時，由于受當時施工條件的限制，采用將拱肋預制安裝的無支架施工方法，在拱肋預制時由于預拱度預留不準確，拱肋安裝后拱軸線有偏離設(shè)計拱軸線的現(xiàn)象。 早期雙曲拱橋常見的病害實例見圖2。 (3) 運營養(yǎng)護及后期交通量增長的原因作為本地區(qū)交通線上的重要公路橋梁，該橋自建成以來承擔當?shù)亟^大多數(shù)交通任務(wù)，而且隨著經(jīng)濟的發(fā)展車輛向大型化發(fā)展日趨明顯，來往車輛日益增多。橋梁設(shè)計荷載為汽-13、掛-60級，即車隊中重車總重為200kN，而現(xiàn)有車輛遠遠大于設(shè)計荷載，雖然空腹式雙曲拱橋腹拱相對計算模型而言對主拱有一定卸荷作用，但長期的超載運行，勢必會對大橋的疲勞破壞加劇，加之后期運營過程中養(yǎng)護不及時，

7、橋面設(shè)施和防水破壞嚴重，導致橋梁的承載能力降低，安全隱患是相當突出的。圖2 早期雙曲拱橋常見的病害實例 2.3 荷載試驗 通過靜載實驗表明，該橋控制截面上各個測點上的應力基本上未出現(xiàn)異常變化情況，且實測值的變化規(guī)律和理論分析結(jié)果基本保持一致，實測最大拉應力為0.82MPa，實測最大壓應力為0.93MPa，均未超過規(guī)范規(guī)定的限值。通過動載實驗，實測頻率與理論頻率的比值在1.031.05之間，說明橋梁結(jié)構(gòu)在豎向、橫向和縱向的動力剛度滿足設(shè)計要求，阻尼比的實測值為0.02195，小于公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程中規(guī)定的0.5，由動應變算出最大動應力為1.28MPa，動應力未超過規(guī)定的最大拉應力1.5

8、5MPa。荷載試驗表明橋梁主要承載部位無結(jié)構(gòu)性的損傷。通過對該橋的計算分析，考慮安全同時兼顧長遠利益，通過對該橋進行全面加固，并依靠加固后該橋自身的結(jié)構(gòu)來達到滿足通行汽車-20級；掛車-100荷載車輛是切實可行的，故決定本橋按舊橋加固利用并拓寬設(shè)計。 3、橋梁加固方案 3.1 加固設(shè)計原則 橋梁加固主要的目標是維持其正常運營，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)建的耐久性，最大限度的提高橋梁的承載能力。該橋通過30多年的運營，在目前車輛大量超限超載的情況下，還沒有出現(xiàn)較大變形，說明該橋的總體承載力水平還是比較高的，但是長期的超載、超限運營也使大橋處于超負荷應力狀態(tài)(高應力狀態(tài))，盡快按現(xiàn)有通行車輛荷載等級要求進行加固是

9、必要的，加固的設(shè)計原則為：最大限度利用舊橋結(jié)構(gòu)，加固方案經(jīng)濟、合理，結(jié)構(gòu)安全，施工方便。加固的具體范圍主要是：(1)拱肋及橫系梁；(2)橋面系及拱波、腹拱等；(3)拱腳裂縫及墩臺身裂縫等三方面。加固方案主要圍繞舊橋裂縫進行修補，補強主拱圈，加強橫向聯(lián)系，提高整體剛度的原則進行方案比選。 3.2 加固設(shè)計要點 雙曲拱橋加固補強方法很多，比較常用的有：(1)以錨噴或現(xiàn)澆混凝土方法增加拱肋受拉區(qū)鋼筋及加大拱肋斷面；(2)以鋼板粘貼加固拱肋等主要承重結(jié)構(gòu)，并結(jié)合碳纖維補強拱波、立柱輔助承重結(jié)構(gòu)等；(3)以體外預應力加固增強等；(4)鋼筋混凝土整體式板肋套拱等。以上方法均有各自的適用范圍，綜合技術(shù)、經(jīng)濟

10、比較，根據(jù)此橋損害的特點，決定采用方法(2)加固本橋，即以鋼板粘貼加固拱肋，以提高承載能力；增強拱肋間橫系梁截面，以增加橋梁整體剛度。對既有拱波、腹拱及拱腳等應力集中、容易產(chǎn)生裂縫的部位采用碳纖維布補強，以提高橋梁耐久性。此方案既可解決既有構(gòu)件裂縫露筋產(chǎn)生的鋼筋銹蝕問題，提高了橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，同時拱肋粘貼鋼板后增加了構(gòu)件受力截面，相應也提高了橋梁整體結(jié)構(gòu)的承載能力。 3.2.1主拱圈加固 主拱圈是雙曲拱橋的主要受力部位，也是本次加固的關(guān)鍵，為改善拱頂、兩拱腳的受力狀態(tài)，采取對全橋拱肋底板粘貼6mm厚Q235a鋼板，拱腳的拱背上緣現(xiàn)澆520cm厚鋼筋混凝土，增大拱腳區(qū)段的截面剛度，改善拱腳、拱

11、頂兩個控制截面的受力狀態(tài)，提高大橋的承載能力。拱肋加固前要先對原病害進行修補，鑿除銹脹混凝土，露出主筋，除銹，補焊主筋，用環(huán)氧混凝土恢復補焊鋼筋處的混凝土保護層，粘貼鋼板涂刷防繡漆。 3.2.2拱波加固 拱波裂縫采用必可法修補，先對裂縫采用注膠修補，再在表面沿橫向粘貼一層碳纖維布補強，封閉裂縫。碳纖維采用HT300-50，厚度0.167mm，重量300gc/m2，抗拉強度大于3400MPa，斷裂延伸率大于1.5%。粘結(jié)用膠與纖維布配套，正拉粘結(jié)強度大于3.0MPa。施工環(huán)境溫度在535范圍內(nèi)，相對濕度不大于70%。加固混凝土構(gòu)件長期使用環(huán)境溫度不應高于62。 3.2.3橫系梁加固 對第二跨第四

12、跨橫系梁加固處理，增大斷面尺寸，增加鋼筋，改善受力條件。鑿除拱肋與橫系梁連接部分混凝土，露出鋼筋，補焊鋼筋，澆注混凝土。 3.2.4腹拱圈及拱上側(cè)墻加固 腹拱加固采用植筋掛鋼筋網(wǎng)澆筑混凝土法，即鑿除拱圈、拱墻和橫隔墻表面混凝土，露出主筋，再種植錨固鋼筋，布設(shè)鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)與種植鋼筋焊接，鋼筋網(wǎng)起到加強現(xiàn)澆部分混凝土、抑制橫向裂縫的作用。錨固短鋼筋植于拱肋和拱板中，加強了新、老混凝土的聯(lián)結(jié)；并增大結(jié)合面的抗剪能力，使新、舊結(jié)構(gòu)共同變形；同時錨固短鋼筋起到了架立鋼筋的作用?；炷帘砻嫱拷缑鎰?，澆注8cm厚混凝土。 3.2.5墩臺、拱座加固 墩臺、拱座沒有嚴重損壞現(xiàn)象，主要是對橋臺(墩)、拱座裂縫采

13、用必可法工藝注膠修補。 3.2.6橋面系補強， 由于橋梁橋面系破壞嚴重，維修時對原橋面鋪裝層全部拆除，澆筑20cm厚C30鋼筋混凝土，把簡支橋面轉(zhuǎn)為連續(xù)橋面，再做FYT系列防水層，鋪裝8cm瀝青混凝土面層。橋面鋪裝施工時做好排水系統(tǒng)和泄水孔。預制安裝懸臂式人行道板，加寬橋面，原鋼筋混凝土扶手更換為鋼欄桿。伸縮縫全部拆除，重做TST碎石彈性連接，橋頭補做鋼筋混凝土搭板。 3.3 加固計算分析 3.3.1計算模型 根據(jù)既有橋?qū)崪y數(shù)據(jù)，將主橋結(jié)構(gòu)L=45m拱橋作為分析對象，主要用于縱向靜力計算，對其內(nèi)力、應力以及變形狀況進行分析。本模型采用通用有限元MIDAS/Civil程序進行計算。按照主橋的實際

14、構(gòu)造進行結(jié)構(gòu)離散，共劃分單元398個、397個節(jié)點。計算模型見圖3。 3.3.2荷載組合 (1) 組合I：(正常使用極限狀態(tài)下短期效應組合)，見表1。 （2）組合II：(正常使用極限狀態(tài)下長期效應組合)，見表2。 (3) 組合III：(正常使用極限狀態(tài)下效應標準值組合)，見表3。 (4) 組合IV：(正常使用極限狀態(tài)下效應標準值組合)，見表4。 (5) 組合V：(承載能力極限狀態(tài)下)，見表5。 (6) 組合VI：(承載能力極限狀態(tài)下)，見表6 3.3.3內(nèi)力計算結(jié)果 內(nèi)力計算見圖4圖6。 3.3.4截面檢算結(jié)果 將粘貼鋼板面積按照等剛度原則換算為直徑25的HRB335鋼筋面積，主拱圈視為偏壓構(gòu)

15、件，依據(jù)現(xiàn)行公路橋梁設(shè)計規(guī)范，采用容許應力法，檢算加固后主拱圈控制截面強度。 (1) 主拱圈拱頂截面 a.恒載+汽車-20級 控制內(nèi)力：N=-12975.60kN，M=4277.65kNm，L0=17.18m， 配筋情況：采用A g=52根25，a g=0.22923m。 檢算結(jié)果：N j m a x=13562.7kN，滿足強度要求。 b.恒載+掛車-100 控制內(nèi)力：N=-12975.62kN，M=4649.33 kNm，L0=17.18m， 配筋情況：A g=52根25，a g=0.22923m。 檢算結(jié)果：N j m a x =13470.9kN，滿足強度要求。 (2) 主拱圈拱腳截面

16、 a.恒載+汽車-20級 控制內(nèi)力：N=-14652.15kN，M=2286.29kNm，L0=17.18m， 配筋情況：A g=33根25，a g=0.06 m。 檢算結(jié)果：N j m a x =49706.7kN，滿足強度要求。 b.恒載+掛車-100 控制內(nèi)力：N=-14652.07kN，M=2895.35kNm，L0=17.18 m， 配筋情況：A g=33根25，a g=0.06m。 檢算結(jié)果：N j m a x=40261.9kN，滿足強度要求。 (3) 拱上小拱圈拱頂截面 a.恒載+汽車-20級 控制內(nèi)力：N=-223.96kN，M=165.96kNm，L0= 2.0m， 配筋情

17、況：A g=24根16，a g=4.5cm。 截面檢算情況：滿足強度要求。 (4) 拱上小拱圈拱腳截面 a.恒載+汽車-20級 控制內(nèi)力：N=-751.21kN，M=-135.79kNm，L0=2.0m， 配筋情況：A g=24根16，a g=4.5cm。 截面檢算情況：滿足強度要求。 (5) 橋梁整體剛度 靜活載作用下主拱圈最大豎向位移為向下4.6mm，滿足剛度要求(見圖7)。 (6) 橋面板檢算 計算彎矩：M j=57.531kNm；計算剪力：Q j=66.882kNm。 經(jīng)檢算，在汽車-20級、掛車-100荷載作用下，橋面板正截面強度、斜截面強度及最大裂縫均滿足規(guī)范要求。經(jīng)上述加固后橋梁

18、理論承載力檢算結(jié)果可知，加固后橋梁承載力滿足汽車-20級、掛車-100的設(shè)計荷載要求，方案可行。4、主要施工要點 4.1 施工安排 橋梁維修加固施工選擇在8月10月份進行，期間當?shù)貧鉁卦?530之間，適合裂縫修補以及鋼板和碳纖維布粘結(jié)施工。加固施工前，中斷交通，拆除橋面欄桿、人行道和橋面鋪裝層，減輕橋梁恒載。 4.2 支架和工作平臺 橋梁一跨和二跨在河岸上，施工期間沒有水流，采用搭設(shè)滿堂支架法作為施工平臺；三跨和四跨下為主河道，水流湍急，采用橋面懸掛移動吊籃作為施工平臺。 4.3 必可法修補裂縫 裂縫修補采用必可法注膠工藝，灌縫膠選用Ha71(雙組份高分子聚合物)；用鋼絲刷清理表面雜物、浮漿、

19、塵土，裂縫干燥后用Ha61快封膠將注膠嘴按間隔40cm粘在裂縫上，同時密封裂縫表面，再將灌注膠按比例配好，注入恒壓灌注器內(nèi)，從裂縫最低處的注膠嘴開始，相鄰上部注膠嘴灌膠溢出后封閉注膠嘴，依次注膠，最后用砂輪打磨裂縫表面。 4.4 碳纖維布粘貼 用角磨機將修補區(qū)域基面進行磨平處理，磨平到露出混凝土光面，并用空氣壓縮機將粉塵吹干凈，直至用手觸摸不粘灰為止。將底膠按比例配制并攪拌均勻。用短毛滾刷均勻涂抹在磨平部位，靜置57h，至手觸摸不沾手方可進行下一道工序。底膠干燥后，按比例拌和環(huán)氧膩子，并調(diào)和均勻，用膩子刮平工作面的坑槽，養(yǎng)生57h。用砂紙打磨一遍工作面，并用棉絲將粉塵擦拭干凈；按比例將底層樹脂

20、進行拌和均勻后，用短毛滾均勻涂抹于工作面上；將碳纖維布按順序依次粘貼于工作面，并用消泡滾反復滾壓碳纖維布表面，使碳纖維布與工作面緊密結(jié)合，不至有氣泡存在；靜置3060min在碳纖維表面再均勻涂一層浸漬樹脂。涂抹浸漬樹脂時，不得使粘貼的碳纖維布卷起；碳纖維在粘貼后，養(yǎng)護24h，不宜使碳纖維布受潮、受震，也不得受荷載直接沖撞碳纖維布表面；待樹脂初期硬化后，在碳纖維布表面涂刷一層碳纖維專用漆，其顏色和原來結(jié)構(gòu)相同。 4.5 粘貼鋼板 拱肋粘貼鋼板前，先要補焊鋼筋和修補混凝土，清理混凝土表面。鋼板按設(shè)計尺寸下料，鉆注膠孔和排氣孔；表面除銹再做粗糙處理，用丙酮或酒精棉紗清洗表面。用膨脹螺栓將鋼板固定在拱肋底部，鋼板接頭焊接，用快封膠封閉鋼板四周，將注膠嘴粘貼在注膠孔，采用加壓注膠法依次從低向高處注膠。注膠后立即頂固鋼板，24h后方可拆除頂壓支架。 4.6 植筋掛網(wǎng)、澆筑混凝土在拱圈植筋注意要避開原結(jié)構(gòu)鋼筋，用電鉆鉆孔，孔深10cm，孔徑要大于要植鋼筋4 mm；用壓縮空氣清孔，吹干孔內(nèi)水分；用膠槍填膠至孔深的一半后將鋼筋插入膠孔固化。再將鋼筋網(wǎng)焊接在已植鋼筋。混凝土表面涂界面劑后，支模澆注混凝土。 5、加固效果 該橋通過加固前的荷載試驗明確了結(jié)構(gòu)損害程度，加固時