某反修桥加固设计加固原理

张 鑫 江光炫

某反修桥建成于1969年,是文革时期由人民解放军设计施工的一座双曲拱桥,通车时间近40年,经实桥测量,反修桥的净跨径为2-60 m,净高10 m,桥面全宽7.0 m,净宽6.5m,左右两侧栏杆各0.25 m。反修桥建成至今近40年。2007年9月对该桥梁结构进行了检查、检测。检查、检测结果表明:“桥梁综合评定得分为35,桥梁综合评定等级为四类。建议对该桥进行大修或改造,及时进行交通管制,如限载、限速通过,当缺损较严重时应关闭交通。”为保证该桥梁能处于完好的技术状态,提高其服务水平,延长长期使用年限。

1 拱桥主要病害情况

病害1:主拱拱肋除边拱肋存在局部混凝土剥落、露筋、钢筋锈蚀现象外,内拱肋基本完好,未发现裂缝。病害2:腹拱拱肋、拱波顺桥向开裂、拱顶处破损、露筋、横系梁有两条环向裂缝。

2 结构破坏机理分析

造成双曲拱桥破坏的原因主要有:1)原设计荷载等级较低,而现行荷载远远超过原设计荷载等级;原桥荷载为汽—15级,而如今低等级公路汽车荷载为公路—Ⅱ级,按照本桥60 m跨径,原设计荷载一个车道可布置65 t荷载,按照公路—Ⅱ级可布置103 t荷载,相差很大;2)材料性能达不到使用要求,施工质量有缺陷。另外,随着运营年限的增长,车辆荷载的增加,各种超限、超载车辆的行驶等因素作用也会导致桥梁结构开裂,破损,承载力下降。

综上所述可以得出反修桥目前的结构病害是上述几种因素综合作用的结果。

3 结构计算分析

本次加固设计共采用两种工况对反修路桥进行了结构安全分析:第一种工况为当前条件下桥梁的受力状况分析:设计荷载为汽车—15级,挂车—80级,采用双向两车道;第二种工况为按照现行荷载等级进行受力状况分析:设计荷载为公路—Ⅱ级,采用双向两车道;第三种工况为桥梁加固之后,在荷载等级提高的情况下桥梁的受力状况分析:设计荷载为公路—Ⅱ级,采用双向两车道。

平面杆系分析:平面杆系分析主要包括拱肋、拱波、拱上立柱、纵梁以及墩台基础等。拱肋结构分析与计算:主拱边肋截面为“L”形,中肋截面为倒“T”形,主拱拱肋较为完好,可以考虑拱波和拱板的组合截面受力,由于中肋的横向分布系数较大,平面杆系以中拱计算;腹拱拱肋、拱波裂缝较多,按裸拱受力;主拱拱轴线形为悬链线,拱轴系数为2.45,矢跨比为1/6。拱脚约束和空间有限元相同。

拱肋计算主要包括承载能力极限状态下的拱肋正截面抗压强度验算、拱肋斜截面抗剪强度验算以及拱肋的横向稳定性验算三个部分和正常使用极限状态下的裂缝宽度。

各构件截面几何特性见表1。

表1 原桥部分构件截面几何特性

拱圈作为钢筋混凝土构件,其正截面抗压强度验算采用分项安全系数极限状态设计法,其设计原则是:荷载效应最不利组合的设计值不大于结构抗力效应的设计值,表达式为:

对于双曲拱桥,拱脚截面承受的剪力最大,正截面直接受剪强度按下式计算:

主拱圈的稳定性验算:对于有拱上结构的拱桥而言,拱上结构参与主拱圈的联合作用,提高了全拱的刚度,降低了主拱圈的活载弯矩,而对拱的纵向力没有影响,从而缩小了纵向力的偏心距,所以拱桥的稳定性是没有问题的。

1)第一种工况验算结果,即主拱拱肋、腹拱拱肋在汽车—15级,挂车—80级荷载下的承载能力极限状态和正常使用极限状态下计算结果表明原桥在汽车—15级,挂车—80级荷载作用下,承载能力组合一、二拱圈大部分截面均能满足规范要求,只有在1号立墙与主拱圈交界处拱圈的结构抗力产生突变,不能满足要求,原因是本桥腹拱跨径过大,拱上填料较厚,立墙底部对主拱圈作用一个较大的集中力,使得主拱圈此处产生较大的弯矩,此处的主拱圈偏心距增大,导致内力增大,截面抗力不足;结果还表明原桥在汽车—15级,挂车—80级荷载作用下,承载能力组合作用下靠近桥墩、桥台的腹拱圈拱顶和立墙附近的承载能力不足,靠近拱顶的腹拱圈大部分截面承载能力能够满足要求,但在靠近立墙的拱脚处承载能力不足。

小结:原桥在汽车—15级,挂车—80级荷载作用下,主拱承载能力能满足规范要求;靠近墩台的腹拱承载能力不能满足要求,裂缝宽度超限。

2)第二种工况验算结果,即拱肋在公路—Ⅱ级荷载下的承载能力极限状态和正常使用极限状态下计算结果。

图1表明原桥在公路—Ⅱ级荷载作用下,承载能力组合一拱顶至 L/4处截面不能满足规范要求,承载能力不足,图2表明主拱圈与立墙交界处在最不利荷载组合下出现微小裂缝,考虑到立墙与主拱圈1 m范围内刚接,可以认为主拱圈不出现裂缝。

小结:原桥在公路—Ⅱ级荷载作用下,主拱拱顶至 L/4处大部分截面承载能力不能满足要求;腹拱拱圈大部分截面承载能力不足,裂缝宽度超限;立墙下端承载能力不足。

4 加固方案

1)主拱圈。对于主拱圈,采用加大截面尺寸的方法进行补强,在主拱圈的拱肋上下缘、拱波及拱板部分,外包钢筋网并现浇混凝土加大拱圈截面。2)横向连系梁。为加强拱肋间的横向作用,提高拱肋的整体受力效果,对于原横系梁四周各外包10 cm的钢筋混凝土,以提高主拱圈的横向刚度。

5 加固后的结构分析

1)加固后的拱肋结构分析与计算(平面杆系)。各构件截面几何特性见表2。由于中肋受力较大,本次计算仅列出中肋的计算结果,如图3,图4所示。图3,图4表明:拱上立柱作为小偏心受压构件,其结构抗力比较富余,满足规范的要求。

表2 加固后主拱圈截面几何特性

2)计算结果。上述计算结果表明,加固后的主拱圈正截面抗压、抗剪强度满足安全要求,立柱满足规范要求。总之,加固后的桥梁能够满足公路—Ⅱ级荷载的要求。