公路双曲拱桥病害原因分析及加固措施研究(郑)

1公路双曲拱桥病害原因分析及加固措施研究XXX()摘要：钢筋混凝土双曲拱桥被广泛修建于上世纪70年代，其中的绝大部分在现代公路运输中仍发挥着巨大的作用。但由于设计建造标准较低，再加上多年超载运营，桥梁病害严重，承载能力降低，对行车安全构成了严重的威胁。本文系统地总结了既有钢筋混凝土双曲拱桥的病害，并指出了病害产生的原因，根据双曲拱桥的结构特点和病害特征，研究了双曲拱桥的维修加固措施，并以一座实际桥梁为工程背景，将维修加固措施应用到实际当中。通过加固前后桥梁抗力的对比可知，本文所提出的维修加固措施对双曲拱桥是非常有效的。关键词：双曲拱桥，病害分析，加固中图分类号：U448.1文献标识码：ADamagesAnalysisandReinforcementTechniqueStudyofHighwayReinforcedConcreteDouble-curvedArchBridgesXXX()Abstract:Reinforcedconcretedouble-curvedarchbridgeswerebuiltaboardin1970s.Mostofthemplayanimportantroleinthemodernroadtransporttilltonow.Thedamageofthembecomessoseverebecauseofimprecisebuildcriterionatthattimeandperennialexcessloadmanyyearsthattheloadingcapacityofthemisreduced,whichthreatensdrivingsafetygreatly.Inthispaper,damagesofbridgearesummarized,andthendamagescausesarepointedout,reinforcementmeasuresofbridgearestudiedbasingonstructurecharacteristicanddamagesfeaturesandappliedtobridgestructurebasingonanexistingbridge.Afterthecomparisonoftheparametersoftheresistancebeforeandafterthereinforcement,thereinforcementmeasuretothebridgeisshowedtobeeffective.Keywords:double-curvedarchbridge，damageanalysis，reinforcement1概述双曲拱桥首创于20世纪60年代初，它以施工方便、桥型优美、节约材料等优点曾被广泛修建，为我国的公路交通事业做出了巨大贡献。双曲拱桥的主拱圈通常是由拱肋、拱波、拱板和横向联系等几部分组成，主拱圈的特点是先化整为零，再集零为整，施工时可以不要拱架、施工进度快、所耗钢材也不多。它充分利用了预制装配的优点，使得施工过程适应了无支架施工和无大型起吊机具的情况。为了加强主拱圈受力的整体性，在拱肋之间设置有横系梁。根据桥梁宽度的不同，双曲拱桥主拱圈横截面可以做成单波、双波、多波、悬半波和高低波。这种截面的截面抵抗矩比相同材料用量的板拱大，因而可以节省材料，且在施工等方面比板拱有较多的优越性[1]。然而，经过30多年的使用，这种桥型出现了许多的病害，如拱波纵向开裂、拱肋破坏露筋、拱上建筑开裂和横系梁破坏等病害。这些病害影基金项目：作者简介：2响了桥梁的承载能力，对交通运输安全构成了严重威胁，甚至会引发桥梁坍塌的恶性事故发生。本文以某公路双曲拱桥为工程背景，对既有钢筋混凝土双曲拱桥的病害及病害产生原因进行了分析，结合双曲拱桥自身的构造特点，提出其维修加固措施，并对该桥加固前后主要力学参数的理论分析结果进行对比。2双曲拱桥主要病害及成因2.1上部结构病害上部结构病害主要有：拱波纵向开裂、拱肋破坏露筋、拱上建筑开裂、横系梁破坏等。这些病害在双曲拱桥中都是比较常见的。拱波的纵向开裂是双曲拱桥最常见的病害。病害产生的主要原因有：第一，拱波太薄，钢筋保护层不足；第二，由于建设时钢材用量不足，拱波配筋很少，有的拱波配置的钢筋网钢筋间距太大；第三，双曲拱桥由于横向联系较弱使得整体刚度不强，荷载横向分布较差，造成变形不协调，使拱波的受力变得复杂，加速了拱波裂缝的产生。拱肋破损钢筋外露，原因主要有三个方面：一是拱肋截面配筋偏少，混凝土标号不高，拱肋的承载能力和抗开裂能力不高；二是荷载横向分布较差导致拱肋受力的不均匀，使个别拱肋受力过大；三是拱肋破坏后钢筋锈蚀，锈胀的钢筋又使混凝土沿着裂缝继续开裂，造成恶性循环；四是基础下沉及倾斜造成拱轴线偏离，拱肋受力发生变化，原本设计的受压构件出现了拉应力。拱上建筑开裂。拱上建筑的受力是整个桥梁结构中最复杂的。桥梁荷载通过拱上建筑向下传递到主拱圈，在拱墙与主拱圈连接处未设置“铰”而约束了拱墙的变形，这种变形对腹拱来说相当于施加了墩台位移。第二，由于混凝土开裂的产生，混凝土的碳化与钢筋锈蚀现象也随之产生。第三，从结构角度来看，双曲拱桥的腹拱是一组小跨的连拱，其中一片腹拱的变形会影响到另外几片相连的腹拱。横系梁破坏。双曲拱桥的横系梁在设计时就存在问题，在设计时横系梁的截面尺寸能够满足横向联系的要求，但在使用过程中却达不到预期的效果，说明横系梁的设计和计算存在着不足。第二，横系梁在联接拱肋时，由于拱肋所产生的位移不同而使得横系梁的受力不再是单纯的受拉状态，而是拉、弯、扭、剪等受力状态共同存在，因此，当作用较大的外荷载时，横系梁就会产生较大的剪切应力和剪切变形，导致横系梁被剪坏，这也是其破坏一般发生在横系梁与拱肋的联接处的主要原因。2.2下部结构病害下部结构病害的主要表现形式有：桥墩(台)开裂、混凝土剥落、钢筋外露，基础局部冲空，基础侧倾或下沉，翼墙、耳墙破坏，锥坡、护坡破坏等[2]。桥墩(台)表面混凝土开裂、剥落等一般发生在桥梁墩(台)身，但在拱脚与墩台的联接处也存在较大的裂缝。墩身混凝土开裂剥落比较普遍，多是由于混凝土的碳化引起的，由于桥梁长期暴露于大气环境下，缺乏正常的维护，混凝土耐久性遭到破坏，在干湿循环区域的混凝土构件一旦发生开裂，便形成钢筋锈胀和混凝土开裂的恶性循环。拱脚处的裂缝不多见，多数是由于构造上配筋不合理造成的。基础下沉或侧倾一般是由于地基承载力不足引起的，该种病害一般不多见。翼墙、耳墙破坏，锥坡、护坡的破坏等病害多为缺乏养护等人为因素引起。经过调查发现，目前我国存在的钢筋混凝土双曲拱桥，几乎都存在不同程度的病害和缺陷。其中上部结构病害较多，如不及时维修加固，必3然会对桥梁的安全性、耐久性造成很大影响。3维修加固措施研究由于钢筋混凝土双曲拱桥的病害较多，因此，对不同的结构构件采用不同的加固方法，本文从病害较重的拱肋、拱波、拱上建筑、横系梁等几个部位进行了加固措施的研究。3.1拱肋的维修加固拱肋作为双曲拱桥的主要受力构件，关系着整个桥梁的安全运营和承载能力。拱肋加固采用粘贴钢板方法：采用环氧树脂系列粘结剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉缘或薄弱部位，使之与原结构物形成整体共同受力，以提高其刚度，改善原结构的钢筋及混凝土的应力状态，限制裂缝的进一步发展，从而达到加固补强、提高桥梁承载能力。为了保证混凝土与钢板之间能够粘贴紧密，钢板和混凝土之间采用加压膨胀螺栓进行紧固。该方法具有施工简便、粘钢所占空间小、施工周期短等优点[4]。拱肋粘贴钢板加固方法如图1所示。图1拱肋粘贴钢板加固图3.2拱波的维修加固由于拱波上的纵向裂缝较多，因此，先采用注胶法对裂缝进行修补，再用粘贴碳纤维布进行补强。注胶时先对裂缝周围松散的灰浆、砂粒等杂物进行清理，然后采用粘接度高、流动性好、可注性好、固化体积收缩小、固化时间均按施工工艺要求可调节及耐久性好的树脂类材料对裂缝进行修补，注胶过程要严格按照施工工艺进行，注完胶后按要求进行养护；碳纤维布粘贴施工时，先对混凝土基面进行处理，确保粘贴基面干净，涂胶时要涂抹均匀，并保证涂层平整，粘贴过程要严格按照施工工艺的要求进行，以保证碳纤维布的加固效果。拱波维修加固如图2所示。图2拱波维修加固图3.3拱上建筑的维修加固拱上建筑的加固采用挂网喷浆方法，首先凿除腹拱圈、拱墙和横隔墙的混凝土保护层，露出主筋，然后在各个部位种植锚固筋，并将钢筋网与锚固筋焊接，最后清除混凝土表面残留物，喷射混凝土保护层；混凝土喷射前应在表面涂刷一层混凝土界面剂，并且喷射过程要一次完成，以保证新旧混凝土能更好的形成整体。腹拱的维修加固如图3所示。图3腹拱维修加固图3.4横系梁的维修加固为了提高桥梁的整体刚度，考虑到横系梁在设计时就偏小，因此，采取增加横系梁和增大原有横系梁截面的方法进行加固。新增加的横系梁4设置在原有横系梁的中间，原有横系梁内部钢筋进行补焊，并将截面增加到与拱肋截面同高。4加固前后效果对比4.1工程实例某四跨上承式钢筋混凝土双曲拱桥，单跨净跨径45米，桥面宽为1m(人行道)＋6m(车行道)＋1m(人行道)＝8m，桥墩(台)及桥台翼墙采用170号混凝土，基础采用150号混凝土，拱座用250号钢筋混凝土。桥墩、桥台基础均为明挖扩大基础，基底基岩为砂岩。桥梁设计荷载为汽车－13、拖－60级。该桥始建于1969年，于1971年投入运营。拱肋截面配筋如图4所示。4.2抗力计算由《公路桥涵设计规范》，计算中性轴位置''ggggaRARARbx[4](1)式中：gR为纵向钢筋抗拉设计强度；gA为纵向抗拉钢筋截面面积；aR为混凝土抗压设计强度；b为构件宽度；解得x＝32.55cm加固前抗力计算：01()2kacxRRbxhr＝1325.514.5300325.5(416)1.252＝286.87kN·m式中：cr为混凝土安全系数，取1.25；加固后抗力计算：拱肋经过粘钢加固后，拱肋截面面积增大，抗力增加，抵抗矩增大。拱肋粘钢后截面如图5所示。中性轴位置：''bbggggaRARARARbx(2)式中：bR为粘贴钢板的抗拉设计强度；bA为粘贴钢板的截面面积；gR为纵向钢筋抗拉设计强度；gA为纵向抗拉钢筋截面面积；aR为混凝土抗压设计强度；b为构件宽度；图5截面配筋图(mm)解得x＝37.62cm加固后抗力计算：01()2kacxRRbxhr＝1376.214.5300376.2(416)1.252＝298.36kN·m4.3效果对比在将上述加固措施应用到工程实际中后，根据公路桥涵设计规范，计算出桥梁加固前后的抗力值，从数值结果的对比看，桥梁的抗力值有了很大的提高。说明本文提出的桥梁加固措施有着较好的效果。5结论图4截面配筋图(mm)5目前，正在服役的公路钢筋混凝土双曲拱桥数量还比较多，其中的大多数都存在不同程度的病害，给桥梁的安全性、耐久性和可靠性带来了不利影响。正确分析和总结既有双曲拱桥的病害及其成因，对于桥梁的维修加固有着重要意义，同时，本文提出的维修加固措施对今后双曲拱桥的加固也有重要的参考价值。参考文献：[1]姚玲森.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,1996.[2]王灿,朱新实.双曲拱桥病害原因分析及处治对策的研究[J].公路.2002(11):74-76.[3]公路桥梁工程建设与危旧桥测试改造拆除加固维修技术及典型案例分析实务全书[M].北京：光明日报出版社,2002.[4]中华人民共和国交通部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004).2004.