薛克遠(yuǎn)

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，河南鄭州　450001)

?

異型拱橋病害分析及改建方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

薛克遠(yuǎn)

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，河南鄭州450001)

某異型拱橋在使用過程中混凝土系梁、拱圈、橫隔梁等構(gòu)件出現(xiàn)不同程度的開裂現(xiàn)象，系梁豎向撓度過大，嚴(yán)重影響橋梁的使用安全。異型拱橋受力特性分析的結(jié)果表明，病害成因與構(gòu)件尺寸、混凝土強(qiáng)度等級、剛度偏小以及接頭構(gòu)造措施偏弱相關(guān)。借助空間有限元軟件，通過適當(dāng)增加構(gòu)件尺寸、提高混凝土等級、加強(qiáng)濕接縫的鋼筋連接等優(yōu)化措施，可優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免病害的產(chǎn)生。

異型拱橋病害優(yōu)化設(shè)計(jì)橋梁加固

異型拱橋作為一種新穎的橋梁形式，誕生于20世紀(jì)90年代初期。由于其結(jié)構(gòu)各部位的材料能充分發(fā)揮其材料特性， 結(jié)構(gòu)合理， 輕巧， 用材較省，再加上外觀奇特美觀， 適用面廣， 容易與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，具有較強(qiáng)的競爭力[3]。鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)時(shí)國內(nèi)市政道路中修建了多座同類橋梁。

受當(dāng)時(shí)計(jì)算手段、材料性能及施工質(zhì)量等因素的控制，加之日益加重的超載運(yùn)輸?shù)仍颍擃悩蛐椭饕獦?gòu)件在使用過程中出現(xiàn)不同程度的病害，影響橋梁的正常使用和美觀。以安陽市東風(fēng)路異型拱橋?yàn)楸尘?，分析各種病害的成因，提出橋梁的改建方案，對上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和加固處理，既滿足橋梁的使用要求，又維持橋梁作為城市標(biāo)志性建筑的景觀需要。

1　工程背景

河南省安陽市東風(fēng)橋跨越市區(qū)安陽河，北接化工路，南接?xùn)|風(fēng)路，是市區(qū)通往化工區(qū)干道上的一座大型城市橋梁(見圖1)。

安陽市東風(fēng)橋全長125.66 m，主跨為2×59.72 m異型系桿拱橋，其“異型拱結(jié)構(gòu)”為國際首創(chuàng)。該橋橋面全寬22.4 m，其中機(jī)動車道寬16 m，雙向四車道，兩側(cè)人行道各寬2 m，人行道與機(jī)動車道之間為1.2 m拱帶。“異型拱”拱肋為40號鋼筋混凝土工字形截面，凈跨56.88 m，矢跨比1/4，吊桿為37絲φ7高強(qiáng)鋼絲束，斜率1∶1.25，每片拱肋布置吊桿12根，全橋共48根。每片拱肋下設(shè)置一道主梁，主梁為40號預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土槽形梁，橫隔梁為30號鋼筋混凝土桁架，沿道路方向每2 m一個，斜交30°布置，兩端與主梁以濕接縫連接。橫隔梁之間鋪設(shè)16 cm厚預(yù)制混凝土橋面板，橋面板之間采用濕接縫連接。設(shè)計(jì)荷載等級為：汽車-20級，掛車-100。該橋梁1992年建成并投入運(yùn)行，使用不足20年，系梁、拱圈及下部基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)大量裂縫。

圖1　東風(fēng)橋總布置(單位：cm)

2　異型拱橋主要病害和成因分析

2.1拱肋

異型拱中墩拱腳處均發(fā)現(xiàn)斜向剪切裂縫，裂縫寬度約為0.2 mm，東、西側(cè)面對稱，并成45°發(fā)展。通過與歷史普查資料[1]對比，裂縫長度及寬度無明顯增加，裂縫發(fā)展趨于穩(wěn)定。主要原因：拱腳處截面承受剪力較大，原設(shè)計(jì)該處截面尺寸和配置的抗剪鋼筋不足，導(dǎo)致斜裂縫的產(chǎn)生。

2.2吊桿

吊桿上錨端出現(xiàn)混凝土開裂，錨墊板、錨頭及鐓頭銹蝕，其余均出現(xiàn)不同程度的混凝土開裂，錨墊板銹蝕[2]。主要原因：吊桿上錨固端錨頭未做防銹處理，未設(shè)置鋼箱防護(hù)罩，且封錨混凝土施工質(zhì)量不高，使得上封錨混凝土出現(xiàn)裂縫，雨水進(jìn)入，引起錨墊板、錨頭及鐓頭銹蝕。

2.3主梁

預(yù)應(yīng)力混凝土主梁梁身側(cè)面有大量豎向及斜向貫穿裂縫，主梁梁底有橫向裂縫，局部有混凝土破損開裂、白花、鋼筋外露及銹蝕。主梁高度為1 340 mm，梁身豎向裂縫長度多為600～1 000 mm[1]，部分已經(jīng)超過主梁高度的一半。豎向裂縫寬度多為0.2～0.3 mm，已經(jīng)大于規(guī)范[2]對于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件允許最大裂縫寬度值0.1 mm的規(guī)定[1]。

主梁裂縫產(chǎn)生的原因主要有三點(diǎn)：一是該橋?yàn)樾苯?0°的斜橋；二是橋面板恒載以及活載通過橫梁傳遞到主梁上，由于橫梁產(chǎn)生撓曲，導(dǎo)致主梁向內(nèi)側(cè)扭轉(zhuǎn)，而主梁為槽形截面，抗扭剛度不足，故產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)裂縫；三是主梁的承載能力不足，出現(xiàn)豎向裂縫和主拉應(yīng)力過大的斜裂縫。

由于橋面板出現(xiàn)裂縫，橋面積水通過裂縫滲透至主梁，而主梁施工質(zhì)量不高，鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度不夠，受水侵害，主梁鋼筋銹脹，故梁底局部出現(xiàn)破損、白花、鋼筋外露銹蝕現(xiàn)象。

2.4橫隔板

橫隔梁采用桁架式預(yù)制構(gòu)件，在兩端與主梁預(yù)留鋼筋，現(xiàn)澆為整體。橫隔梁梁端的斜桿和豎桿節(jié)點(diǎn)部位普遍存在斜向、對稱、貫穿裂縫。其裂縫長度多為200～400 mm，裂縫寬度多為0.2～0.3 mm，裂縫寬度部分已經(jīng)大于規(guī)范對于鋼筋混凝土構(gòu)件允許最大裂縫寬度值0.2 mm的規(guī)定[1]。主要原因：①斜桿和豎桿節(jié)點(diǎn)部位受力較復(fù)雜，局部主拉應(yīng)力過大，抗剪鋼筋配置不足，出現(xiàn)斜向裂縫。②由于橋面板出現(xiàn)裂縫，橋面積水通過裂縫滲透至橫隔梁，受水侵害，鋼筋銹脹，故梁底局部出現(xiàn)破損、白花等現(xiàn)象。

2.5橋臺

全橋共有南、北兩座鋼筋混凝土橋臺。報(bào)告普查結(jié)果顯示[1]，橋臺帽梁支座附近斜裂縫明顯，裂縫寬度已經(jīng)大于規(guī)范限值，帽梁跨中出現(xiàn)不同程度的豎向裂縫。成因分析：橋臺支座附近的斜向裂縫主要是由于該鈍角處支反力較大，而原設(shè)計(jì)蓋梁截面尺寸和配置的抗剪鋼筋不足，且未配置彎起鋼筋和斜筋。橋臺蓋梁中部附近處的豎向裂縫主要由橋臺基礎(chǔ)的不均勻沉降引起。

2.6橋墩

全橋共設(shè)1座雙薄壁矩形橋墩，報(bào)告普查結(jié)果顯示[1]，橋墩南、北側(cè)面均有豎向貫通裂縫，裂縫寬度最大處達(dá)3 mm，已經(jīng)大于規(guī)范限值。裂縫從橋墩頂部往下發(fā)展，一直延伸到水面。橋墩西側(cè)面有大量橫、豎向裂縫，裂縫寬度為0.5 mm左右，已經(jīng)大于規(guī)范限值。成因分析：該裂縫是由于橋墩基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，墩身兩側(cè)沉降大于中央，引起墩身中央因負(fù)彎矩而產(chǎn)生自上而下的延伸豎向裂縫。

3　設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

采用有限元軟件進(jìn)行空間分析，發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)存在的主要問題，通過調(diào)整截面尺寸，優(yōu)化鋼筋配置等措施，提高結(jié)構(gòu)的承載力和整體剛度，使其滿足使用要求。其主要優(yōu)化設(shè)計(jì)措施為：

(1)適當(dāng)增加系梁梁高，采用實(shí)體截面，增大系梁抗扭剛度和豎向剛度。

(2)適當(dāng)加大拱圈截面，尤其應(yīng)加強(qiáng)陡拱側(cè)拱腳抗剪承載力，增大拱圈的豎向剛度。

(3)采用空間結(jié)構(gòu)分析，優(yōu)化拱圈鋼筋和系梁預(yù)應(yīng)力鋼束的配置。

(4)優(yōu)化橫隔梁截面尺寸，加大橫隔梁與系梁現(xiàn)澆接頭的長度，保證預(yù)制構(gòu)件連接牢固，提高系梁和橫隔梁的整體性。

(5)加強(qiáng)吊桿上下錨固端防銹措施，提高錨固端混凝土密實(shí)性，增設(shè)上錨固端鋼箱防護(hù)罩。

(6)加強(qiáng)施工過程質(zhì)量控制。

(7)重視吊桿等鋼構(gòu)件的防銹和保養(yǎng)工作。

4　改造方案研究

安陽市東風(fēng)橋以其獨(dú)特的造型成為安陽河上美麗的風(fēng)景線，也是安陽市的標(biāo)志性建筑，橋梁加固以維持原有橋梁造型為前提。提出橋梁改建方案：即上部結(jié)構(gòu)全部拆除重建和下部結(jié)構(gòu)加固方案。

4.1上部結(jié)構(gòu)全部拆除新建方案

東風(fēng)橋上部結(jié)構(gòu)全部拆除，維持原橋型橋面布置、孔徑、矢跨比等指標(biāo)，根據(jù)計(jì)算分析對橋梁主要構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4，8]。

系梁：截面高度由1.34 m增加到1.6 m；混凝土等級由40號混凝土改為C50混凝土，截面類型由槽形截面改為實(shí)心梯形截面，按照全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件配置鋼束。

拱圈：截面仍采用工字形截面，截面高度由1.5 m增加到1.6 m，腹板厚度由0.3 m增加到0.6 m，混凝土等級由40號混凝土改為C50混凝土，拱腳采用矩形截面，長度由1 m增加到3 m，加強(qiáng)系梁與拱腳的鋼筋骨架。

吊桿：吊桿對數(shù)和斜率仍維持不變，共12對(一孔)，吊桿斜率1.25，吊桿鋼絲材料由37φ7碳素鋼絲改為PES61φ7平行鋼絲。

橫隔梁：橫隔梁間距沿縱向仍為沿2 m一道，結(jié)構(gòu)形式由桁架式混凝土結(jié)構(gòu)改為矩形混凝土結(jié)構(gòu)，梁高由1.34 m增加到1.4 m。

橋面板：加強(qiáng)橋面板之間現(xiàn)澆縫的鋼筋連接，混凝土等級由30號調(diào)整為C40混凝土。

接頭處理：加強(qiáng)橫隔梁與系梁之間鋼筋連接，現(xiàn)澆段混凝土等級由40號調(diào)整為C50混凝土。

4.2下部結(jié)構(gòu)加固方案

橋臺：帽梁寬度由2.8增加到3.05 m，增設(shè)抗剪鋼筋骨架，考慮到橋臺基礎(chǔ)的不均勻沉降已趨穩(wěn)定，對樁基礎(chǔ)周圍進(jìn)行壓力注漿加固。對既有裂縫采用裂縫修補(bǔ)膠進(jìn)行封閉處理。

橋墩：雙薄壁墩進(jìn)行增大截面套箍加固，單肢壁厚由70 cm增加到120 cm，增設(shè)橋墩環(huán)向鋼筋，提高橋墩整體性；為避免混凝土振搗不密實(shí)影響加固效果，內(nèi)腔頂2 m范圍內(nèi)采用粘貼鋼板加固，鋼板條沿橋墩橫向布設(shè)，2道/m，鋼板厚5 mm，壓條鋼板采用U形布設(shè)，1道/m，鋼板厚3 mm。鋼板粘貼采用高強(qiáng)螺栓定位，壓力注射鋼板膠施工。

樁基礎(chǔ)：主墩下方新增4根1.5 m鉆孔樁基礎(chǔ)，提高樁基承載力(見圖2)。

圖2　主墩加固示意(陰影為加固部分)(單位：cm)

4.3改建后效果分析

通過空間有限元模型提取各構(gòu)件截面內(nèi)力，根據(jù)公路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行配筋(預(yù)應(yīng)力鋼束)配置，經(jīng)計(jì)算，各構(gòu)件力學(xué)性能滿足規(guī)范要求[9](見圖3)。

圖3　異型拱空間有限元模型

承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算見表1。

表1　承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果　kN·m

正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算見表2。

(1)吊桿檢算

吊桿安全系數(shù)均大于3，滿足規(guī)范對吊桿抗拉安全系數(shù)不小于2.5的要求[10]。吊桿考慮車輛活載作用下引起的疲勞應(yīng)力幅，疲勞應(yīng)力幅均小于150 MPa。

(2)主拱整體穩(wěn)定檢算

通過主拱穩(wěn)定計(jì)算分析，計(jì)算橋梁臨界荷載為298.7 kN/m，安全系數(shù)為3.5，滿足主拱整體穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.8的要求。為安全起見，在不影響美觀的前提下，兩拱圈之間設(shè)置三道風(fēng)撐[5，8]。

表2　正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果　kN·m

注：負(fù)值代表壓應(yīng)力，正直代表拉應(yīng)力。

(3)下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)通過增大截面法、粘貼鋼板法及補(bǔ)加樁基礎(chǔ)等加固方法[7]，帽梁和主墩各截面應(yīng)力、基礎(chǔ)變形、樁基承載力滿足規(guī)范要求[10]。

5　施工工序

異形拱橋作為梁拱組合體系，應(yīng)嚴(yán)格按照施工步驟進(jìn)行科學(xué)施工，加強(qiáng)施工監(jiān)測，確保達(dá)到設(shè)計(jì)目的[6](見圖4)。

圖4　異型拱改造方案施工步驟

[1]武大珞珈工程結(jié)構(gòu)檢測咨詢有限公司.河南省安陽市東風(fēng)橋橋梁現(xiàn)狀及靜動載試驗(yàn)檢測報(bào)告[R].武漢：武大珞珈工程結(jié)構(gòu)檢測咨詢有限公司，2010

[2]上海同豐工程咨詢有限公司.安陽市東風(fēng)路東風(fēng)橋吊桿技術(shù)狀態(tài)專項(xiàng)檢測報(bào)告[R].上海：上海同豐工程咨詢有限公司，2013

[3]李生智，王瑋瑤，鄔妙年.異型拱橋[M].北京：人民交通出版社，1995

[4]曾革助.鋼筋混凝土異型系桿拱橋合理成橋狀態(tài)與合理施工狀態(tài)研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2004

[5]王瑋瑤，李生智，陳昌科.異型系桿拱橋[J].中國公路學(xué)報(bào),1996，9(1):49-50

[6]陳鎖.簡支系桿拱橋施工過程分析[J].鐵道勘察，2015(3)：130-134

[7]李洲.石太線拱橋包打加固方案比選[J].鐵道勘察，2015(5)：50-54

[8]肖雄杰.某異型系桿拱橋空間力學(xué)特性分析[J].橋梁建設(shè)，2012，42(1):60-66

[9]于向東，吳志花.東風(fēng)橋檢算報(bào)告[R].長沙：中南大學(xué)，2013

[10]中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.JTG/T J22—2008公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2008

Analysis of Deterioration and Optimal Design of Reconstruction Scheme of Special-Shaped Tied-Arch bridge

XUE Keyuan

2016-01-22

薛克遠(yuǎn)(1984—)，男，2010年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2016)02-0110-04

U448.22； U448.72

B