博罗大桥病害成因及加固设计要点.pdf

Highways&Transportation in Inner Mongolia总第19 6 期29内蒙古公路与运输文章编号：10 0 5-0 57 4-（2 0 2 3)0 4-0 0 2 9-0 3DOI:10.19332/ki.1005-0574.2023.04.007博罗大桥病害成因及加固设计要点任娜（广东和立土木工程有限公司，广东广州511450)摘要：为提升我国早期建设的系杆拱桥、刚架拱桥的加固效果，文章以博罗大桥为例，对主桥系杆拱桥及引桥刚架拱桥的主要病害及其成因进行全面分析，提出了系杆拱桥吊杆的更换方案及刚架拱桥主要截面外包UHPC等针对性加固方案，并采用MidasCivil2021对刚架拱桥典型桥跨受力跨加固前后的承载能力进行对比分析。结果表明：加固后桥梁的承载能力满足要求，结构受力得到有效改善；典型桥跨采用外包UHPC加固后其承载力增强，刚度得以提升，该加固方案对于解决系杆拱桥、刚架拱桥的裂缝病害有积极作用。关键词：拱桥；刚架拱桥；连拱计算；加固方案；结构验算中图分类号：U445.72文献标识码：AAbstract:In order to improve the reinforcement effect of the tied arch bridge and rigid frame arch bridge constructed in the earlystage of our country,this paper takes Boluo Bridge as an example to conduct a comprehensive analysis of the main diseases and causesof the main tied arch bridge and rigid frame arch bridge approach bridge.A replacement plan of the suspender of the tied arch bridgeand a targeted reinforcement scheme such as main section outsourcing UHPC of rigid frame arch bridge,were proposed.Midas Civil2021 was used to compare and analyze the bearing capacity of typical span of rigid frame arch bridge before and after the span rein-forcement.The results show that the bearing capacity of the reinforced bridge meets the requirements and the structural force is im-proved effectively.The bearing capacity and stiffness of typical bridge span are enhanced after the reinforcement of outsourcing UH-PC,which plays a positive role in solving crack diseases.Key words:arch bridge,rigid frame arch bridge,multi-arch calculation,reinforcement scheme,structural checking calcula-tion0引言我国早期建设的系杆拱桥、刚架拱桥是一种轻型组合体系拱桥，由于当时经济条件的限制，尽量减少材料用量，挖掘承载潜力，在后期运营过程中随着交通量不断增加，桥梁负荷日益加重，故普遍存在桥梁承载力不足的情况。博罗大桥于1999年建成，经历了多次加固维修。2 0 2 1年检测结果显示，主桥吊杆普遍存在下锚头积水严重等病害，在长期的运营过程中，吊杆内部钢丝存在锈蚀、断丝的风险，全桥吊杆的技术状况等级为4类。引桥刚架拱其拱片、桥面板、横向连接系、斜撑、拱腿等多个构件存在受力裂缝，缝宽超过规范限值，技术状况等级为3类，桥梁使用功能受限。基于此，本文以博罗大桥为例，依据原桥竣工资料、历年检测加固资料、荷载试验结果对该桥的主要病害成因及受力性能进行深人分析，提出可靠的加固维修方案，为同类桥梁养护维修提供参考。1桥梁概况博罗大桥全长10 8 3.2 6 m，桥跨组合为16 m+245m+280m+1645m+6m，其中主桥上部结构为净跨径80m的钢筋混凝土等截面中承式吊杆拱，主拱圈为箱形截面；桥面全宽2 5.4m；引桥上部结构为跨径45m的钢筋混凝土刚架拱以及16 m、6 m 跨径的简支梁桥，引桥桥面全宽为2 3m2病害分析及加固方案2.1主桥系杆拱桥吊杆2.1.1病害分析博罗大桥全桥共计52 根吊杆，普遍存在下锚头积水严重等病害，在长期的运营过程中，吊杆内部钢丝存在锈蚀、断丝的风险。吊杆下锚头严重积水的原因如下：博罗大桥建成于2 0 世纪90 年代，随着我国经济作者简介：任娜（198 3一），女，陕西咸阳人，硕士研究生，工程师，研究方向：桥梁与隧道工程。Highways&Transportation in Inner Mongolia2023年第4期30内蒙古公路与运输的高速发展，车辆荷载逐渐超过设计荷载，难以满足交通健康发展的需求。重载、超载、密集的交通流使大桥经常处于高应力的工作状态由于现状吊杆预埋管高度与桥面齐平，且通过混凝土块外包，活载、风荷载等作用下桥梁产生振动，长期导致混凝土块与桥面连接处开裂、松动，从而使得雨水从桥面渗人锚头，引起锈蚀。吊杆与桥面连接处的外包混凝土、内部防水罩、减震器橡胶条与吊杆连接处的密封性不够，导致雨水沿着吊杆护套壁下渗至下锚头；而防水罩、减震器钢管护套未进行防锈处理，雨水的不断侵蚀导致其锈蚀。吊杆锚头内涂抹8 0 环境下不流坠的油脂，油脂编号IRIS-255。由于前述防护锚固区密封性降低，防腐油脂高温时为流塑状膏体，随着时间推移防腐油脂流失殆尽，将直接导致吊杆锚头锈蚀。2.1.2加固方案为保证结构使用安全，根据吊杆内部钢丝的病害、施工更换的便易性、吊杆位置等因素，对全桥52 根吊杆进行更换，鉴于现状预埋管高度与桥面齐平的缺陷，导致雨水从桥面渗人；本次方案考虑将预埋管接长至桥面以上50 cm。新吊杆采用18 6 0 级16 根15.2 mm环氧喷涂钢绞线拉索，采用兜吊系统对吊杆逐次更换。更换吊杆布置图如图1所示，更换吊杆更换吊狂原设计最高通航水位14.7 448.285.65原设计最低通航水位3.7 44烫工时河床线参考博中大桥最低速航水位0.0 6-4.652.51:2.5现状河床线井基础外包2 0-30 Cm厚栓300300图1更换吊杆布置图2.2引桥刚架拱桥刚架拱桥的基本组成是由拱腿与实腹段合拢后组成裸拱，在裸拱基础上架设弦杆及斜撑形成刚架拱片，在刚架拱片之间设置横系梁，然后安装预制肋腋板（或微弯板)和悬臂板，最后现浇混凝土填平层和桥面铺装。2.2.1病害分析2.2.1.1拱肋实腹段拱肋存在侧面竖向裂缝，集中在跨中区域，裂缝最大宽度为0.2 mm，病害产生的原因如下：随着公路桥梁负荷日益加重，桥梁运营期间存在超载现象，导致结构受力裂缝达到限值。河床冲刷严重，导致桥墩刚度减弱，拱脚水平位移增大，从而引起刚架拱拱片受力普遍增大，产生裂缝。运营期间，长期荷载及环境因素影响下横向联结减弱，导致拱片受力不均匀，重车道拱片受力较大，从而导致产生受力裂缝。2.2.1.2拱腿刚架拱拱腿存在纵向和竖向裂缝，裂缝最大宽度为0.35mm；拱腿裂缝为前期加固截面与原截面过渡区，该处混凝土较薄，且从裂缝形态推断为收缩裂缝。2.2.1.3斜撑斜撑顶面缘出现横向裂缝、U形贯通裂缝，最大裂缝宽度超出规范限制的0.2 5mm；刚架拱桥在长期荷载及环境因素影响下横向联结减弱，荷载横向分布与设计值相比偏差较大，在河床冲刷作用下，桥墩横向抗推刚度明显减小，不利于斜撑受力，导致开裂病害的加重。2.2.1.4加固方案2010年已对第9 孔前刚架拱桥的拱腿及斜撑顶面进行外包混凝土加固，实腹段已采用钢板加固；第10 孔至第2 1孔刚架拱桥的拱腿、实腹段、斜撑均未加固。2021年静、动载试验结果表明，第6 孔强度、刚度满足设计要求；第10 孔强度、刚度不满足要求。对于第11孔 第2 1孔拱腿及斜撑顶面采用历史加固方案，进行外包15cm厚钢筋混凝土加固，实腹段底面采用贴钢板加固。对于刚度不满足要求的第10 孔，考虑其病害数量相对较多,病害较严重，对拱脚、斜撑及跨中实腹段均采用外包UHPC(超高性能混凝土)加固，外包厚度6 cm，如图2 所示。120外包UHPC外包UHPC图2刚架拱桥外包UHPC加固设计图2.2.2横向连接系2.2.2.1病害分析2010年大修针对刚架拱桥第3、5、11、13孔横隔板采用槽钢剪刀撑加固，第7、9横隔板采用U形钢板加固，部分未加固的横隔板裂缝进行抹面封闭。近年横向连接系存在较多竖向裂缝、少数纵向裂缝、U形裂缝和L型裂缝，最大裂缝宽度为0.2 mm。现场调查，前期修补的裂缝已失效，病害产生的原因如下：刚架拱桥由于长期荷载作用以及环境影响导致下转第42 页总第19 6 期任娜：博罗大桥病害成因及加固设计要点31横系梁的开裂逐年加重，从而削弱了横向联系的刚度，病害没有得到及时的修复，进而导致更为严重的裂缝。移动车辆经过桥梁结构时，由于受到伸缩缝等路面不平整的激励后，形成车桥耦合振动，相比于车辆静载作用，桥梁结构内力会有所增大4。在侧向水平推力的作用下，横系梁长期处于横向拉力作用下，构件易产生竖向受力裂缝。2.2.2.2加固方案横向联系将刚架拱片连接在一起，同时有限制拱片侧向位移的作用，可增强各拱片共同工作的能力 5。因此，为增强刚架拱片的整体性工作性能,对引桥刚架拱跨中位置第6、8、10 孔横系梁采用预应力加固。2.2.3肋腋板2.2.3.1病害分析肋腋板存在较多纵向裂缝,最大裂缝宽度为2.5mm，且有贯通裂缝；部分横缝最大裂缝宽度为1mm；少数斜缝最大裂缝宽度为0.2 6 mm;结合横系梁竖向裂缝和U型裂缝较严重的现象推断，双向支承刚架拱肋腋板受力失效，整体的受力模式发生改变，成为单向板受力。肋腋板横向受力模式发生改变，是产生纵向裂缝的主要原因。2.2.3.2加固方案由于刚架拱桥跨数量较多，根据病害情况采用以下方案进行维修加固：针对肋腋板贯通缝、裂缝超限的肋腋板，结合桥面病害情况进行局部更换处理，裂缝未超限的做封闭处理。对于裂缝数量较多的第10 孔进行整跨桥面板拆除改造，考虑该孔位于水上桥跨，搭设支架施工较为不便，新建桥面板采用预制桥面板，与主拱肋通过预留孔植筋浇筑连接，加强桥梁整体连接刚度。预制桥面板采用C50混凝土。3加固效果评价对引桥45m跨刚架拱桥进行结构验算，采用MidasCivil2021软件模拟，考虑各孔拱跨结构与桥墩的共同作用即“连拱作用”，将上、下部结合为一体进行整体分析，方可得到更贴近实际的计算结果7。本文按m法计算桩基土弹簧刚度8,准确模拟桥梁的实际状态。选取5孔进行计算，桥梁结构按实际截面尺寸模拟。对实腹段、弦杆、拱腿相接处的大节点，刚度较大，且三轴线不相交于一点，近似按刚性设置刚臂单元模拟。结构离散图如图3所示，根据刚架拱桥受力特性，选取如图4所示的10 个典型截面进行验算。图3结构离散图6151413121116T5D413171172100图4主要验算截面3.1计算参数维持原设计荷载：汽车-2 0 级、挂车-10 0、人群3.5kN/m；同时考虑结构自重、二期恒载、混凝土收缩徐变、结构升降温、温度梯度、基础变位等荷载。3.2加固前后典型孔结构验算分析刚架拱桥第10 孔裂缝多，为病害最严重的一孔，强度、整体刚度不满足规范要求，本文以第10 孔作为典型桥孔，对加固前后的计算结果进行对比分析，如图5、图6所示。6000-一加固前轴力一加固前抗力4500-30001500577.0490-15001-1 2-23-34-45-56-67-78-89-910-10截面图5加固前轴力与抗力的计算结果对比6000一加固后轴力一加固后抗力45003000-15006040-25.4-15001-12-23-34-45-5.6-67-78-89-910-10截面图6加固后轴力与抗力的计算结果对比上接第31页Highways&Transportation in Inner Mongolia2023年第4期42内蒙古公路与运输参考文献1曲昭伟，周立军，王殿海.城市信号交叉口自行车及行人到达与释放规律 J.公路交通科技，2 0 0 4,2 1(1):91-94.2张旭，朱普周,段宇洲.基于城市信号交叉口直行非机动车膨胀特性研究 .安全与环境学报，2 0 2 1,2 1（5）：197 8-198 4.3刘红元.考虑相邻干扰区影响的信号交叉口机非干扰行为研究 D.北京：北京交通大学，2 0 10.4孙明正，杨晓光.机非混行平面交叉口交通设计理论研究 J.公路交通科技,2 0 0 4,2 1(8):8 2-8 6.5曲昭伟，高雨虹，宋现敏.信号交叉口车路环境对电动自行车释放膨胀特性的影响分析 J.中国公路学报，2 0 2 0,33（4）：12 6-136.6张水潮，贺康康.路口左转混合非机动车流膨胀效应及机非冲突 .宁波工程学院学报,2 0 14,2 6(2）：7-11.7JSmith D.Safety and location criteria for bicycle facilities R.Department of经计算分析，最不利荷载组合为组合I（1.1恒荷载+1.3汽车+1.3人群+1.3温度荷载+1.3收缩+1.3徐变+1.3基础变位），刚架拱桥主拱（7-7 截面）产生的轴力为577.4kN，弯矩值为2 0 0.9kNm，大于抗力490 kN，不满足受力要求。采取前述加固措施后，最不利荷载组合为组合II(1.1恒荷载+1.3汽车+1.3人群+1.3温度荷载+1.3收缩+1.3徐变+1.3基础变位），在刚架拱桥主拱（7-7 截面）产生的轴力为52 5.4kN，弯矩值为2 7 7.1kNm，小于抗力604.0kN,满足受力要求。分析对比结果表明，刚架拱桥第10 孔拱脚、斜撑及跨中实腹段均采用外包UHPC加固后，其承载力增强，刚度得以提升，该加固方案对于抑制裂缝发展有积极作用。4结语本文分析了博罗大桥的病害及其成因，对该桥进行了加固设计及结构的受力状态分析，主要结论如下：博罗大桥主桥吊杆下锚头存在严重积水与渗水病害，会造成锚头和吊杆腐蚀，腐蚀严重时会发生断裂，考虑到原桥系杆拱桥单根吊杆失效后，连接吊杆的横梁无法立即受力，从而引起桥面板垮塌。鉴于近年来国内外发生的多起柔性系杆拱桥的桥面系垮塌事故,为保证结构使用安全，对全桥52 根吊杆进行更换。根据刚架拱桥的受力性能和病害情况，通过增Transportation,1976.8JParkin J,Rotheram J.Design speeds and acceleration characteristics ofbicycle traffic for use in planning,design and appraisalJJ.Transport Policy,2010,17(5):335-341.9Nordback K,Marshall W E,Janson B N.Bicyclist safety performancefunctions for a US cityJJ.Accident Analysis&Prevention,2014,65:114-122.10刘辉,章国鹏，王羿童，等.无控制交叉口交通安全影响因素分析 .公路交通科技,2 0 19,36(9)：110-116.11秦丹,张斌，王长帅，等.电动自行车驾驶人伤害严重程度影响因素研究 J.武汉理工大学学报（交通科学与工程）,2 0 2 1,45（4)：6 7 2-6 7 6.12连培昆，李振龙，荣建，等.基于VISSIM微观交通仿真软件的导流岛机非冲突元胞自动机模型 J.计算机应用，2 0 16,36（6)：17 45-17 50.收稿日期：2 0 2 2-10-0 3强主拱片之间的横向连接，对刚架拱拱片受力较大处截面进行局部补强，可提高桥梁构件强度及整体刚度，加固效果显著。U H PC为新型加固材料，加固厚度5cm6cm即可达到较高强度，刚架拱桥创新应用新型材料对关键受力截面进行加固，具有较好的加固效果及经济效益。博罗大桥为典型早期建设的组合体系拱桥，该桥服役期间病害的成因、加固维修方案可为同类型拱桥的检测、技术状况评估、养护、维修等提供参考。参考文献1张浩.刚架拱桥病害分析及体外预应力加固探索 D四川:重庆交通大学,2 0 12.2赵雪莲.拱桥吊杆防腐分析与应对措施 J.中国市政工程，2 0 18(0 5)：64-66.3顾安邦，孙国柱.公路桥涵设计手册：拱桥（下册)M.北京：人民交通出版社，1994.4高庆飞，张坤，刘晨光，等.移动车辆荷载作用下桥梁冲击系数的若干讨论 J.哈尔滨工业大学学报，2 0 2 0，52（3）：44-50.5李宏江,叶见曙,虞建成.伊家河刚架拱桥病害的结构分析 桥梁建设，2002(05):19-22.6王国鼎.拱桥连拱计算第三版)M.北京：人民交通出版社，2 0 0 9.7赵宗启.改进型刚架拱桥结构研究及应用 D.西安：长安大学,2 0 10.8JTG33632019,公路桥涵地基与基础设计规范 S9张正权.刚架拱桥的受力分析与加固 D.浙江：浙江大学,2 0 0 6.10张永晓.系杆拱桥塌原因分析与对策 .城市道桥与防洪,2 0 12,7(7):189-200.收稿时间：2 0 2 3-0 5-0 3