塘河大桥加固与评定

摘要:文章论述了塘河大桥进行旧桥检算,确定该桥无法满足现行交通荷载通行要求,并对此桥进行加固设计,最终对该桥加固后进行承载能力评定,确定其达到通行公路-II级荷载的要求。

关键词:旧桥检测;加固设计施工;承载能力评定;塘河大桥

中图分类号:U448文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)25-0144-03

当前由于交通的迅猛发展,新建和改造路网已经成为满足运输需求的必要手段,桥梁是确保公路畅通的咽喉,其承载能力和通行能力更是沟通全线的关键。而对于西部山区大量使用的石拱桥,由于交通量的增大及自然作用,很多桥梁存在较多病害,局部位置更是严重缺损,无法满足通行现行荷载标准的要求,只有拆除重建或者对旧桥进行加固补强。由于旧石拱桥拆除耗费的人力、物力大,而且新建桥梁费用大。故采用对既有旧石拱桥进行检算,并采取相应的维修和加固措施,具有十分重要的现实意义。

1塘河大桥简介

塘河大桥建成于1978年(图1)。桥面实测净宽为净-7.3m+2×0.65m,桥梁全长115.7m。该桥主拱为空腹式等截面悬链线石板拱,净跨L0=70m,矢跨比约1/6,主拱圈厚1.3m,宽8.1m。拱上构造由拱上横墙、腹拱、拱上填料及桥面构造组成。拱圈石材为砂岩,砌缝采用水泥砂浆。该桥原设计、竣工资料均已遗失。

2旧桥检算分析

2.1现场实测

通过现场外观检测,该桥存在桥面铺装破损严重;边拱、主拱和腹拱拱圈开裂;拱圈渗水严重等病害。为确定主拱实际的矢跨比、拱轴线形及拱圈的扭转情况,采用电子全站仪对拱轴线进行了观测,在上游侧面主拱圈下缘处观测26个点,在下游侧面主拱圈下缘处观测34个点。通过对主拱圈、桥面等实测数据坐标进行拟合(如下图2～5),得出以下结论:桥梁中间段下陷最大约24cm,如果加上桥面纵坡,可以推测主拱跨中段的下沉在50cm以上。由于跨中段桥面填料厚度较小,不可能产生如此大的沉降,因此可以判断造成桥面下沉的主要原因是主拱圈的下沉。而从现场观察到的情况和主拱圈拟合情况来看,整个主拱圈范围内并没有比较大的曲线突变,拱腹以及拱圈侧面都没有发现比较严重的裂缝,因此可以判断沉降应该是在整个主跨范围内发生的,并且是越到跨中越严重;从当地村民了解到,桥面在桥梁修成后不久就发生了明显下沉,而后没有出现进一步发展迹象;综合上述因素可以判断造成主拱圈下沉的主要原因可能是主拱圈合拢后落架过早,砌缝砂浆强度不足以及收缩徐变的影响,在主拱圈及拱上建筑的自重作用及车辆作用下,砌缝发生了较大压缩变形。

根据《公路桥涵养护规范》(JTGH11-2004)相关规定进行评定,塘河大桥一般评定结果为五类。主拱圈、边拱拱圈、腹拱圈、桥面铺装、排水设施的组合标度Ri≥3,表示均出现了严重缺损,需要维修、加固。

2.2结构计算分析及验算

根据实测得到的塘河大桥线形和材料性能,通过有限元计算程序,对全桥结构进行计算分析。计算得到在恒载、温度荷载作用下跨中、1/4及拱脚截面内力值及汽车荷载作用下内力极值。根据《公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)》旧桥检算公式:

即荷载效应不利组合设计值小于或等于结构抗力效应设计值。

对以上计算的各种荷载内力值进行组合得到荷载效应不利组合设计值Sd。根据《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》计算出拱圈各截面抗力效应设计值Rd。最后通过检算公式验算结果表明:塘河大桥主拱圈拱脚截面、边拱1/4L截面、腹拱拱顶截面的正截面抗压强度均不满足通行公路-II级荷载的要求,需进行加固设计施工。

3维修加固设计

3.1加固方案

(1)对主拱圈、腹拱圈、边拱圈不饱满灰缝压注12.5号水泥砂浆,以增强拱圈的强度。

(2)增大主拱圈、腹拱圈、边拱圈截面。为了有效地加强拱圈截面,采用锚喷混凝土加固拱圈的方法,具体的加固方案如下:在主拱圈拱腹喷射10cm厚的钢筋混凝土,在主拱圈拱脚和腹拱墩3(注:腹拱墩编号按拱脚拱顶排列)之间的拱背现浇10cm厚的钢筋混凝土,边拱圈和第一～四腹拱圈采用在拱腹喷射8cm钢筋混凝土加固,第五腹拱圈由于在拱腹下施工困难,改为在拱背现浇8cm钢筋混凝土,加固总体布置方案见图6。为了增强新浇混凝土与原拱圈的联结,保证原拱圈和新增拱圈能够协调受力,需要在原拱圈上植筋,植筋密度为60×60cm,植筋为Φ16mm。

(3)由于原桥面铺装破损严重,因此将原桥面铺装全部清除,现浇10cmC30防水混凝土面层加5cm沥青混凝土铺装(桥面横坡2%),并配置间距为15×15cm的F12钢筋网。

(4)更换原有石栏杆为钢筋混凝土栏杆。

3.2加固后主拱圈截面强度验算

加固后主拱圈截面为新增拱圈混凝土层与原拱圈块石砌体组成的组合截面。

3.2.1恒载内力计算考虑到加固时,原桥的全部恒载已由原主拱圈承受,因此,在进行恒载内力计算时,经过加固的主拱圈的截面刚度仍取原块石砌体主拱圈的截面刚度,将新增的混凝土拱圈作为恒载作用于原拱圈上,然后利用有限元程序建立模型,进行恒载内力计算。

3.2.2活载及温度内力计算原主拱圈经过加固后,全桥活载及温度荷载由新旧拱圈共同承受,因此,计算活载及温度内力时,用加大后的拱圈组合截面刚度进行计算,即新旧拱圈作为一个整体计算,对于新增的混凝土按其弹性模量进行截面换算,计算组合截面特性后,利用有限元程序对拱圈跨中、1/4及拱脚截面内力极值进行计算。

如主拱圈跨中组合截面(图7)特性计算如下:

换算截面面积:

A=10.53+3.947×0.81=13.727m2

换算截面重心至全截面底边距离:

YUN==0.587m

换算截面重心至全截面顶边距离:

YON=0.813m

换算截面重心轴的惯性矩:

I=1.483+10.53×(0.75-0.587)2+3.947×(×8.1

×0.13+0.81×0.5372)=2.6874m4

换算截面的回转半径

(1)原拱圈等效活载、温度内力。由于加固后的主拱组合截面仅承受活载及温度荷载,恒载仍由原拱圈截面承受,新增混凝土拱圈不承受恒载,因此,对加固后的主拱组合截面内力进行组合时,需要先得出活载及温度荷载下组合截面中由原拱圈截面承受的等效内力,然后将此等效内力与恒载内力作为原拱圈单独承受的内力按相关规范进行组合。

原拱圈活载或温度内力等效的具体步骤为:

求原拱圈截面上下边缘应力。已知组合截面的轴力N,弯矩M时,按照弹性体假定及平截面假定,可以求出原拱圈截面的上下边缘应力为:

式中,轴力N受拉为正,弯矩M以拱圈下缘受拉正,应力σ以受拉为正;面积A和截面惯性矩I为组合截面的换算面积和换算截面惯性矩;y上和y下分别为组合截面的换算重心轴到原拱圈截面上下边缘的距离。

求原拱圈截面的等效内力。求出原拱圈截面上下边缘的应力后,即可按下式求出原拱圈截面的等效轴力Neff和等效弯矩Meff:

式中,A0和I0分别为原拱圈截面的截面面积和截面惯性矩,H为原拱圈截面受弯方向的高度。

(2)加固后原拱圈截面强度验算。根据《公路桥涵通用设计规范》对以上计算所得恒载内力、活载及温度原拱圈等效内力进行荷载组合计算,然后根据《公路圬工桥涵设计规范》(JTG D61-2005)第4.0.4条规定检算公式:

γ0S≤R(fd,ad)

即荷载效应不利组合设计值小于或等于结构抗力效应设计值。

对以上计算的各种荷载内力值进行组合得到加固后原拱圈荷载效应不利组合设计值S。根据《公路圬工桥涵设计规范》(JTGD61-2005)计算出加固后原拱圈各截面抗力效应设计值R。最后通过检算公式验算结果表明:各控制截面的受压抗力都大于荷载效应的最不利组合。

4加固后承载能力评定

本桥进行维修加固后,需对全桥进行评价,包括现状检查、结构计算和静荷载试验等。以对桥梁加固效果进行检查;检验加固后桥梁的工作状态;为桥梁运营、养护及同类桥梁加固提供科学依据。

4.1病害处治效果检查

桥面系各种病害基本上得到了处治:拱上填料已按照设计要求进行开挖和回填。桥面重新铺装后,线形平顺,达到设计要求。主拱圈采用增大截面法进行了加固处理,截面厚度能达到设计要求。原存在的各裂缝已修补完善。

4.2荷载试验

利用有限元计算程序,按平面梁、板体系对全桥结构进行计算分析,为荷载试验和承载能力评定提供理论依据。本次荷载试验为验收性试验,根据受检桥跨的结构特点,选取主拱圈拱脚截面、L/4拱截面、3L/8拱截面和拱顶截面共4个截面作为主要控制截面,观测其在最大试验荷载作用下的应力、挠度以及结构裂缝情况。根据各控制截面设计内力计算结果和《大跨径混凝土桥梁的试验方法》的相关规定,对桥梁进行针对性地加载。利用测试仪器对各控制截面,分别进行挠度、应变和裂缝观测。

4.3荷载试验评定分析

第一,荷载试验过程中,试验桥梁无异常现象发生,主拱圈各控制截面未发现裂缝扩展。第二,在试验荷载作用下,主拱各控制截面的实测挠度均小于理论计算值,挠度校验系数在0.47～0.92之间,相对残余变形均小于20%,表明加固后的塘河大桥的刚度满足《大跨径混凝土桥梁的试验方法》所规定的要求。第三,主拱圈控制截面的实测应力校验系数基本正常,表明加固后的塘河大桥主拱圈的强度满足通行公路II级、人群3.0kN/m2荷载要求。

5结语

通过对塘河大桥同一个桥梁,先后进行旧桥检算评定维修加固设计加固后承载能力评定,反映了整个旧桥处治过程,效果良好,取得较好的社会和经济效益,为桥梁运营、养护及同类旧桥检算、加固与评定提供了相关经验和借鉴。

参考文献

[1] 公路圬工桥涵设计规范(JTGD61-2005)[S].

[2] 公路旧桥承载能力鉴定方法[S].北京:人民交通出版社,1988.

[3] 公路桥梁加固施工技术规范(JTG/TJ23-2008)[S].

[4] 重庆公路工程检查中心.江津塘河大桥承载能力评价检验报告[R].重庆:重庆交通科研设计院,2005.

作者简介:陈军(1979-),男,招商局重庆交通科研设计院有限公司动力所工程师,研究生,研究方向:业主项目管理、新旧桥检测加固;黄光清(1973-),男,招商局重庆交通科研设计院有限公司动力所高级工程师,研究生,研究方向:公路桥梁抗震和新旧桥检测加固。