王 華,陳 翀
(1. 廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州 510220; 2. 中鐵二院(廣東)港航勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,廣州 510700)
拱橋作為一種典型的有推力結(jié)構(gòu),如何抵抗拱腳產(chǎn)生的強(qiáng)大水平推力成為設(shè)計(jì)和施工中必須考慮的問題[1]。通常在采用拱橋作為主橋時(shí),都會采用抗推剛度足夠大的制動墩[2-3]。然而,厚度較大的墩身及分布密集的群樁基礎(chǔ)都將對河道水流造成嚴(yán)重影響,導(dǎo)致橋墩處河床沖刷嚴(yán)重,從而減弱墩身的抗推剛度,使墩身產(chǎn)生較大的位移并影響橋梁上部結(jié)構(gòu)。
本文結(jié)合實(shí)體工程,對一座曾經(jīng)過搶修加固后利用引橋承擔(dān)部分水平推力的剛架拱橋,進(jìn)行現(xiàn)狀病害成因分析及二次加固設(shè)計(jì)。
藍(lán)口大橋(圖1)位于河源市藍(lán)口鎮(zhèn)縣道X155上,跨越東江,于1997年4月建成通車。橋梁跨徑組合為(4×16m+13.75m)簡支T梁引橋+(45.35m+47.3m)剛架拱。下部結(jié)構(gòu)為漿砌片石U型橋臺,其中0#臺為樁基礎(chǔ),7#臺為擴(kuò)大基礎(chǔ);1#~4#墩為樁柱式橋墩,5#、6#墩為鋼筋砼重力式橋墩樁基礎(chǔ)。兩跨剛架拱為通航孔。
圖1 藍(lán)口大橋
由于原設(shè)計(jì)方案存在缺陷及施工質(zhì)量欠佳,橋梁在建成不久后便出現(xiàn)6#~7#跨剛架拱嚴(yán)重下?lián)祥_裂的現(xiàn)象,后于1997年6月進(jìn)行緊急搶修加固(圖2~圖3)。加固的主要內(nèi)容為重建第6跨剛架拱,增強(qiáng)5號墩整體剛度以平衡水平推力;0號臺臺背增加推力平衡裝置,并在第1~5跨T梁2#、7#腹板處外包砼形成5跨連續(xù)支撐梁,防止因河床下切導(dǎo)致制動墩抗推剛度下降時(shí),剛架拱水平推力無法平衡而使橋梁破壞[4]。
圖2 1997年藍(lán)口大橋搶修加固(單位:cm)
圖3 1997年搶修加固后的引橋橫斷面
根據(jù)2019年橋梁檢測報(bào)告,橋梁主要病害為:T梁濕接縫及橫隔板存在大量開裂;5#墩河床嚴(yán)重下切,最大下切深度達(dá)8.5m;樁基受水流侵蝕,部分出現(xiàn)鋼筋籠外露的現(xiàn)象(圖4~圖5)。對橋梁進(jìn)行動靜載試驗(yàn)后表明,橋梁可滿足公路-Ⅱ級荷載要求。
圖4 T梁橫隔板開裂
圖5 水下樁基鋼筋籠外露
由于本項(xiàng)目對工期及造價(jià)的要求較嚴(yán)格,且橋梁動靜載均能滿足荷載試驗(yàn)的要求,說明橋梁仍處于較好的工作狀態(tài),采用拆除重建方案既不能滿足工期及造價(jià)需求,也存在一定的資源浪費(fèi),故本次橋梁采用舊橋加固的方式進(jìn)行改造。
橋梁上部結(jié)構(gòu)的主要病害為T梁橫隔板及濕接縫大量縱向開裂,初步推斷其原因?yàn)樵黾又瘟汉笫筎梁的受力形式發(fā)生了變化。為驗(yàn)證這一推斷的準(zhǔn)確性,并為加固方案提供數(shù)據(jù)支撐,需對橋梁進(jìn)行建模計(jì)算。計(jì)算模型采用MIDAS CIVIL建立,除建立現(xiàn)狀橋梁計(jì)算模型外,還另外建立單跨16m簡支T梁模型,用于與現(xiàn)狀橋梁計(jì)算模型中T梁內(nèi)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,從而量化支撐梁對T梁受力形式的影響,如圖6~圖8所示。具體計(jì)算結(jié)果見表1、表2及表3。
表2 增加支撐梁前后T梁彎矩對比(單位:kN·m)
表3 增加支撐梁前后T梁橫隔板彎矩對比(單位:kN·m)
圖6 藍(lán)口大橋現(xiàn)狀橋梁計(jì)算模型
圖7 現(xiàn)狀橋梁計(jì)算模型(局部顯示第1跨)
圖8 簡支梁T梁計(jì)算模型(對比模型)
表1 現(xiàn)狀橋梁內(nèi)力情況
從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),兩道支撐梁在5號墩處軸壓力值共4 324kN,四片拱肋在拱腳處產(chǎn)生的水平推力值為8 765kN,引橋抵抗的水平推力值約占49.2%。水平推力在從5號墩傳遞至0號臺時(shí),受1~4號墩逐步削減,最終傳遞至0號臺時(shí)為3 318kN,約為5號墩處的76.7%。
根據(jù)表2、表3可知,增加支撐梁后,2號及7號梁剛度增大,橋梁內(nèi)力優(yōu)先往支撐梁方向傳遞,導(dǎo)致其余縱向梁體內(nèi)力減少,跨中彎矩僅為增加支撐梁前的42%~50%;但3~6號梁間橫隔板內(nèi)力增加,特別是橋梁中心線位置,彎矩約為原來的1.29倍。
由于T梁橫隔板本就較為薄弱,在增加支撐梁后內(nèi)力進(jìn)一步增大,最終導(dǎo)致橫隔板大量出現(xiàn)開裂并蔓延至濕接縫處。
對河床下切后樁基樁身的承載能力進(jìn)行驗(yàn)算,計(jì)算結(jié)果見表4。
表4 5#墩樁基計(jì)算結(jié)果
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,由于支撐梁分擔(dān)了部分水平推力,現(xiàn)狀樁基承載能力仍能滿足要求,但在流水沖刷下部分樁基已出現(xiàn)鋼筋籠外露的現(xiàn)象,該部分十分脆弱,須立即對樁基進(jìn)行外包砼處理并回填河床[5-6]。
結(jié)合2019年橋梁檢測報(bào)告及模型計(jì)算結(jié)果,橋梁現(xiàn)狀已能滿足公路Ⅱ級荷載作用下的使用要求,故只需對T梁橫隔板及5號墩處河床及樁基進(jìn)行加固。加固內(nèi)容:(1)5號墩水下樁基外包混凝土處理;(2)5號墩拋石回填;(3)T梁橫隔板外包混凝土增大截面處理;(4)全橋常規(guī)病害處理。
樁基水下外包砼采用水下蛙人作業(yè)法進(jìn)行處理。通過利用水中蛙人在水下對基礎(chǔ)堆積垃圾進(jìn)行清理、鋼筋除銹、植筋及綁扎鋼筋后,將預(yù)制鋼模板在水下進(jìn)行分段拼接安裝,節(jié)段與節(jié)段之間采用法蘭式連接,并設(shè)置密封圈等防水裝置進(jìn)行密封防水處理。鋼管拼接完成后在岸上澆筑水下混凝土。
5號墩樁基處理完成后,為防止水流沖刷對樁身再次造成損傷并防止河床進(jìn)一步下切,需對5號墩進(jìn)行拋石處理。
由于5號墩基礎(chǔ)樁基數(shù)量較多且分布較為密集,在承臺范圍內(nèi)采用堆填級配碎石的方式進(jìn)行回填;在外圍具備吊裝條件處采用不小于2m厚的石籠網(wǎng)袋作為防沖刷層。
橫隔板外包砼處理主要針對2號~7號梁間的橫隔板,其中對于嚴(yán)重開裂且裂縫已貫通至濕接縫的橫隔板進(jìn)行鑿除重做,對于輕微開裂的橫隔板在對裂縫進(jìn)行修復(fù)后進(jìn)行外包。
圖9 橫隔板外包砼構(gòu)造(單位:cm)
對加固后的T梁進(jìn)行動靜載試驗(yàn),并與加固前的檢測結(jié)果進(jìn)行對比,對比結(jié)果見表5。
表5 T梁加固前后動靜載試驗(yàn)對比
從表5可見,二次加固后,橋梁跨中撓度減少10.3%,應(yīng)變減少20.8%,基頻提升了21.7%,表明橋梁經(jīng)過加固后,橋梁剛度及整體性均得到提升。
本文結(jié)合工程實(shí)際需求,對一座利用引橋分擔(dān)主橋拱圈水平推力的橋梁進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明:
(1)在增加縱向支撐梁后,引橋能有效分擔(dān)約49%的水平推力,保證抗推墩樁基在河床下切8.5m時(shí)不會因樁身強(qiáng)度不足而發(fā)生破壞。
(2)支撐梁能減少引橋其余T梁50%以上的彎矩,但會使橫隔板受力增大,導(dǎo)致橫隔板出現(xiàn)裂縫,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際病害情況相符。
(3)在引橋處增設(shè)支撐梁,可在制動墩抗推剛度下降時(shí)有效分擔(dān)主橋拱圈水平推力,防止主拱破壞,但應(yīng)注意支撐梁對引橋的影響,避免引橋發(fā)生嚴(yán)重病害。
結(jié)合橋梁現(xiàn)狀病害及建模計(jì)算結(jié)果,本文提出較有針對性的二次加固措施,相比于重建方案,壓縮了工期,節(jié)省了投資,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益?,F(xiàn)狀橋梁已加固完成,加固后橋梁能滿足公路Ⅱ級下的動靜載試驗(yàn)要求,且橋梁剛度及整體性相較于加固前有明顯的提升。