空腹式拱桥加固设计及效果评价.pdf

104 Academic Papers学术交流影 响 有 影 响 的 人 空腹式拱桥加固设计及效果评价邱 华1，张秀梅2，牛 政3（1.山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250013；2.青岛市水利勘测设计研究院有限公司，山东 青岛 266000；3.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250013）摘要：空腹式拱桥形式在我国公路桥梁中占据相当大的比例，且大多修建年代久远，设计标准不高，承重构件设计尺寸偏小，混凝土强度低、配筋少，承载能力越来越无法适应现代交通发展的需要。基于此背景，以南水北调东线一期工程济平干渠工程贵平公路桥为例，对桥梁运行实际及病害情况进行概述的基础上，从裂缝处理、主拱圈加固、左右岸桥台处桥面顶升等方面对拱桥加固维修设计进行了分析探讨。结果表明，对于建设时间较早的桥梁结构，全部拆除重建显然不现实，对其展开有效的维修加固是当前桥梁养护工作的重点；通过该空腹式拱桥加固维修设计实例，为类似结构加固处理提供借鉴参考。关键词：空腹式；拱桥；加固设计；主拱圈；顶升中图分类号：U442 文献标识码：B 文章编号：1673-8098（2023）05-0104-031 工程概况南水北调东线一期工程东平湖济南段输水工程桩号41+130 处的贵平公路桥采用空腹式拱桥形式，该桥梁建成于2005 年 6 月，原采用汽-20，挂-100 的设计标准。桥长 49m，横向桥面净空为净-7.0+20.75m 的安全带布置，横坡为2%。桥台基础设置在弱风化基岩面。主拱按照等截面悬链线板式拱设计，拱桥净跨径 25m，矢跨比 1/6，主拱圈厚 700mm。在拱脚上方设置 2 个净跨径 3m、矢跨比 1/6 的腹拱，腹拱圈厚300mm。临近拱脚的腹拱采用三铰拱。主拱圈、腹拱圈、拱座均为 40#现浇钢筋混凝土，腹拱横墙为 M10 浆砌粗料石，U 型桥台和侧墙均采用 M10 浆砌块石，填料全部为 M5 浆砌片石。拱桥结构外露面均通过相应标号细料石砌筑。拱桥两侧地势较高，如遇下雨，雨水便顺势下泄、汇集，再加上填料排水不畅，导致侧墙、立柱均表现出明显渗水；全桥铰缝也出现大范围剥落。2 病害情况为全面了解该空腹式拱桥病害实际，山东广信检测集团于2016 年 7 月受邀对该拱桥结构展开安全检测，并出具贵平公路桥检测报告，病害情况如下。（1）主拱圈、腹拱存在局部性网裂，裂缝宽度均不超出0.1mm；在 0#台和 1#台拱脚与拱桥南侧相距 3m 的位置分别存在 1 条 1.0m 长和 1 条 2.5m 长的纵向裂缝，缝宽最大达到0.18mm 和 0.24mm，不利于结构安全稳定。（2）侧墙砌块开裂的比例超过 30%；以拱上填料排水不畅等原因，侧墙、立柱存在严重渗水现象；全桥铰缝大面积剥落。（3）桥面铺装大范围磨光、脱皮、露骨；坑洞普遍存在，且深度最大达 3cm；铺装层还表现出大量横向裂缝和网状裂缝。两侧护栏砌块破损，人行道板砌块多处开裂残缺。经检测评定，贵平公路桥技术状况为 3 类桥；桥梁建造所使用材质各单项指标均满足设计；现状承载力达不到原设计要求。为此，公路管理部门决定，在尽量减少对原有结构损伤并充分利用原构件，确保原结构安全性与耐久性的基础上对该空腹式拱桥展开维修加固，以提升结构性能、承载力及耐久性，使其达到汽-20，挂-100 的原设计荷载标准。3 加固设计3.1 设计思路在保持原结构受力体系不变的基础上，维修补强主拱圈和腹拱受力体系存在的裂缝及缺陷，避免受力材料继续劣化，提升结构受力的耐久性和整体性；采取相应加固措施提升损伤构件承载力。为改善主拱受力性能和功能，此次维修在加固主拱圈结构的基础上，将拱圈以上部分拆除重建。为保证桥面排水，在拱桥与两侧道路连接处设置 0.5%单向纵坡，顺桥向恢复桥头两侧引道，左右岸恢复长度分别为 30m 和 63m，引路两侧设置 M10 浆105NO.5/OCTOBER.2023交通建设与管理 影响有影响的人 砌石挡土墙；沿堤顶顺堤向按 4%的纵坡与堤顶道路相连，引路两侧设置 M10 浆砌石挡土墙。依次将左岸和右岸桥台处桥面抬高 0.824m 和 0.584m。拆除桥面铺装层和人行道系，进行铺装层混凝土重新浇筑和新人行道系安装。新建桥面泄水管和标准伸缩缝；新建实腹段和腹拱防水层，疏通堵塞泄水管。在腹拱下缘增设 C40 无收缩自密实混凝土套拱加固，盖梁则通过粘贴侧钢板的方式进行加固。3.2 设计方案为达到提升桥梁结构通行荷载等级及结构承载力，治理既有病害的目的，依据病害检测结果及相关规范提出维修加固设计方案。3.2.1 裂缝处理原拱桥腹拱圈砌体砌缝不饱满，且空隙率较大，须对砌缝重新压浆；为保证腹拱圈整理受力，须通过灌浆机对腹拱圈实施高压灌浆；在加固拱圈前，对既有裂缝和缺陷进行处治，对于宽度不超出 0.15mm 的裂缝通过改性环氧树脂胶泥封闭，而宽度在0.15mm 以上的裂缝必须采用毕可法高压压注化学胶液1。裂缝修补胶及修补裂缝所采用的混凝土柔性修补注浆料性能必须满足公路桥梁加固设计规范（JTG/T J222008）相关规定。裂缝处理完成后，还应在每道裂缝表面均匀涂刷一层混凝土深层渗透防水密封剂，以保证封闭效果。3.2.2 主拱圈加固根据主拱圈结构计算结果，拱脚、拱顶负弯矩承载力不足，拱脚、L/4 跨、3L/8 跨、L/2 跨正弯矩承载力不足。采用拱背增大截面法加固以解决拱脚负弯矩承载力不足问题；为解决拱脚正弯矩承载力不足，如果采用碳纤维加固或粘贴钢板，则拱脚处碳纤维和钢板锚固长度不够，故在拱脚至第二根横系梁处采用箱型断面加固；对于其余截面负弯矩承载力不足的问题，采用拱背增大截面加固技术。主拱圈拱背采用增大截面法加固，本质上使拱圈横向联系增强，故无需再加固原横系梁2，仅通过 M10 水泥砂浆挂网抹灰即可。3.2.3 顶升设计该空腹式拱桥左岸和右岸桥台处桥面抬高主要通过顶升完成，顶升过程中必须保证全部电动同步千斤顶速度、出缸量和梁板抬升高度的一致性，避免出现局部受力过大情况，保持桥梁上部结构原受力状态基本不变。（1）顶升设备顶升设备由同步千斤顶、电动油泵站、分流阀和连接管组成，千斤顶外形呈圆形，根据桥梁实际选定顶升能力、直径和缸体高度，该桥梁选用缸体高度 86mm，缸体内外径分别为 140mm、190mm，最大行程 16mm，最大顶升能力 1000kN 的以高压泵为动力源的超薄型千斤顶。超高压电动油泵站高低压流量分别为 4L/min 和 10L/min，最大工作压力 65MPa，电机功率6.5kW，1 个油泵站可为 15 个千斤顶同步顶升提供动力。油泵站通过高压管连接分流阀，确保油泵站所产生的压力经过分流阀后成功传递至千斤顶，根据墩台实际高度确定高压管长度，通常控制在墩台高度的 1.5 1.7 倍。在该拱桥断交施工情况下先确定出包括桥面铺装、防撞护栏、防震锚栓等在内的单幅桥梁上部总重，据此确定千斤顶数量和最大顶升力。考虑上述因素后的该空腹式拱桥单幅总重 232t，在选用 1000kN 千斤顶且施工安全系数取 2.0 的情况下至少需要配置 6 个千斤顶，为保证原桥受力状态不变，最终配置 64 个1000kN 千斤顶。为保证顶升任务顺利完成，必须合理确定千斤顶数量和整体顶升力，并考虑到高压管喷裂、千斤顶故障等可能出现的情况，设置安全系数，在千斤顶理论用量的基础上，适当增加数量，避免安全事故发生。为保证拱桥原受力状态不变，避免因受力状态改变而引发裂缝等病害，必须加强千斤顶设置位置控制。原拱桥梁板和盖梁间存在 10 12cm 空隙，将超薄型千斤顶直接设置于盖梁上，不用再施作临时支架；并在原支座旁放置千斤顶，既不会改变桥梁受力状态，又便于支座安装和取出。（2）顶升工序搭建脚手架或工作平台，安放千斤顶，并在千斤顶上方增设长 250mm、宽 250mm、高 20mm 钢板，并采用合适厚度的钢板填塞缝隙，保证千斤顶和梁板底部紧密贴合。待全部千斤顶就位后开始试顶升，加压至 10MPa 时停止，持荷 10min 后回油卸载；再次检查千斤顶和梁板底部是否存在间隙，如果存在，必须通过三角垫铁或薄钢板填塞；同时检查千斤顶回位、高压管连接处是否漏油、设备是否存在异常。3.2.4 其余结构设计在主拱顶、腹拱顶及拱上侧墙内侧以全断面形式增设混凝土深层渗透型防水密封剂防水层。同时在腹拱脚侧墙埋设50mmPVC 排水管，管材外按照 300g/m2用量裹覆土工布，管底倾斜度控制在 5%以内。桥面铺装采用 300mm 厚的 C50 防水混凝土结构，拱顶侧墙内填筑轻质泡沫混凝土，桥台侧墙内回填 200mm 厚的 5%水泥稳定粒料和 C20 片石混凝土。桥面双向均设置 1.5%横坡，顺桥向按照 4m 间隔铺设 11051050mm 的 PVC 排水管。106 Academic Papers学术交流影 响 有 影 响 的 人 4 加固效果评价4.1 加固后结构复核应用 MIDAS/Civil 有限元软件展开该空腹式拱桥维修加固后结构复核，有限元模型见图 1。经比较，原汽-20 的设计荷载标准相当于现行公路桥涵设计通用规范（JTG D602015）中公路-级荷载3。为保证规范，分析软件和该桥梁使用状况的匹配，结构复核验算过程中主要采用公路桥涵设计通用规范（JTG D602015）中公路-级荷载。以施工阶段拱脚采用铰接形式、运营阶段拱脚采用固结形式为边界条件。图 1 拱桥结构复核计算模型4.2 受力状态检测为掌握加固方案实施后该空腹式拱桥实际受力状态，须判断桥梁加固后实际承载能力。在该桥梁加固完成后，由工程所在省交通工程质量检测中心进行与加固前相同试验荷载作用下桥梁承力构件主拱肋在控制截面处的刚度、强度等测试及裂缝发展情况检查。结合桥梁实际及河床地形，选择第 1 孔边跨展开静力荷载试验，采用两辆 30t 重型车辆加载，在等效荷载原则下，将所计算出的等代荷载内力值与活载作用下的理论内力值进行对比。静力荷载试验的内容包括拱顶截面各片肋底钢筋应变、挠度，拱脚截面各片肋底混凝土应变及拱脚水平位移，裂缝闭合程度等。跨中截面测点挠度及控制截面测点应力检测结果详见表 1和表 2。根据以上测试结果，挠度和应变校验系数均值分别为 0.929和 0.79，取值均小于 1.0；试验荷载作用下 L/2 截面实测挠度最大值为 1.07mm，小于 1.18mm 的理论挠度值和 L/800 的最大限值，卸载后残余挠度值最大为 0.02mm，对应的相对残余挠度为 1.8%，远比规范所规定的 20%限值小。5 结语综上所述，该空腹式拱桥采用本文所提出的加固维修方案后，行车时的动力响应明显减弱，桥梁结构动刚度、整体性和稳定性明显加强，承载力大大提升，达到了现行规范中公路-级荷载标准。该桥梁加固维修施工于 2021 年 7 月完成，经过近1 年的监测和观察，并无新的裂缝等病害出现，既有裂缝也基本闭合，再次证明所采取的加固工艺切实可行，也为同类型桥梁结构加固维修提供了经验借鉴。参考文献1 韦运勇.刚架拱桥的加固设计优化研究 J.西部交通科技，2021（11）：157-159.2 张俊志.拱桥减震加固设计分析 J.交通世界，2021（30）：86-87.3 周秀丽.双曲拱桥结构损伤后受力分析及加固设计方案研究J.福建交通科技，2020（1）：47-53.表 1 跨中截面测点挠度检测结果测试区域L/2 截面L/4 截面测点编号1#2#3#4#5#6#7#挠度实测值（mm）1.051.070.990.890.630.390.38卸载后残余值（mm）0.010.000.020.010.020.000.01挠度理论值（mm）1.181.181.150.950.590.430.43校验系数0.890.920.860.951.050.940.89校验系数均值0.929表 2 控制截面测点应力结果测试区域L/2 截面拱脚截面测点编号1#2#3#4#5#6#7#8#应力实测值（mm）1.121.211.141.070.36-0.08-0.11-0.06应力理论值（mm）1.191.311.141.090.38-0.18-0.19-0.19校验系数0.970.981.020.960.900.540.570.38校验系数均值0.79