姜 如

(中鐵二局集團勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，四川成都610031)

鋼筋混凝土箱型拱橋是20世紀70～80年代拱橋建設(shè)史上的代表橋型。限于當時設(shè)計、施工等局限，使該類橋梁結(jié)構(gòu)存在先天的不足，同時在長期重荷載和大交通量運營的情況下，如今大部分橋梁都出現(xiàn)了不同程度的病害，乃至危及整個橋梁的安全。如何處理這類橋梁病害，是交通主管部門較為關(guān)注的問題之一，故對鋼筋混凝土箱型拱橋的病害及加固技術(shù)進行研究，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

該拱橋建于20世紀80年代，橋梁全長89.7 m，橋面寬8.5 m,橫向布置為：0.75 m(安全帶)+7.0 m(行車道)+0.75 m(安全帶)。橋梁原設(shè)計荷載：汽車-20級，掛車-100。橋梁為1×60 m空腹式懸鏈線箱型拱橋，矢高7.5 m，矢跨比1/8，拱軸系數(shù)m=2.814。主跨上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制混凝土箱型拱橋，主拱圈由5片拱箱組成，主拱圈的厚度為130 cm，寬700 cm；主拱兩側(cè)分別設(shè)4孔腹拱，腹拱為圓弧拱，其矢跨比為1/5～1/7，腹拱頂與主拱頂高程相同，腹拱由分片預(yù)制的拱圈塊件拼組而成，拱圈厚度均為25 cm；下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺，擴大基礎(chǔ)，橋面為水泥混凝土鋪裝；左右側(cè)護欄均為混凝土護欄。該橋總體布置情況如圖1所示。

圖1 拱橋全景

2 病害狀況及原因分析

2.1 病害狀況

根據(jù)檢測單位檢測結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)查：該橋主拱圈完好，尚能滿足汽車-20級，掛車-100的正常使用要求，但由于兩岸邊腹拱拱腳錯位、拱圈開裂嚴重，橋梁技術(shù)狀況評定為五類，處于危險狀態(tài)，應(yīng)立即封閉交通，主要病害為：

(1)橋梁兩岸邊腹拱與側(cè)墻脫開，邊腹拱拱腳處最大錯位5 cm左右。邊腹拱內(nèi)底部存在多條橫向及縱向裂縫，裂縫寬度超過規(guī)范限值，且裂縫內(nèi)滲水，橋梁結(jié)構(gòu)存在較大安全隱患，如圖2～圖3所示。

(2)橋臺：兩岸橋臺前墻有滲水痕跡，其中大里程側(cè)橋臺前墻自頂部向下出現(xiàn)1條豎向裂縫，裂縫深度為116.50 mm，裂縫寬度達到0.50 mm。

(3)橋面鋪裝：橋面鋪裝共出現(xiàn)明顯坑洞及多處橫向貫通裂縫。

圖2 腹拱拱圈與墻脫開

圖3 腹拱底部橫向開裂

2.2病因分析

邊腹拱拱腳錯位及腹拱跨中開裂，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，端腹拱為簡單支撐體系，拱腳位置未見鉸縫處理，也未設(shè)置變形縫，腹拱前墻拱腳貼合處構(gòu)造角度較小，對拱圈約束作用較弱，且未設(shè)置防落梁構(gòu)造。同時因本橋位于我國西部山區(qū)，整體升降溫幅度比較大。在降溫作用下，由于主拱圈的變形引起腹拱圈橫墻及腹拱圈在順橋向朝河心方向發(fā)生變位，端腹拱河岸側(cè)拱腳未設(shè)置有效的餃結(jié)構(gòu)，對腹拱拱腳縱向水平位移基本無限制作用，導(dǎo)致腹拱前墻與腹拱圈不能協(xié)調(diào)變形，拱腳貼合面處腹拱圈與腹拱前墻間在降溫作用下呈剝離趨勢；而后在升溫作用下，由于主拱圈的變形引起腹拱橫墻及腹拱圈在順橋向向河岸方向發(fā)生變位，端腹拱拱圈拱腳已錯位、下沉，與腹拱前墻抵死而不能復(fù)位，導(dǎo)致腹拱圈計算跨徑減小，在升溫作用下受到來自水平方向的擠壓作用，拱頂截面承受較大負彎矩上緣發(fā)生開裂；橋臺前墻出現(xiàn)裂縫，因橋臺是大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在施工時因為混凝土開裂和基礎(chǔ)的不均沉降引起的；橋面鋪裝損害，主要是超載及養(yǎng)護跟不上引起的。

3 維修加固方案

針對橋梁主要病害，腹拱拱腳錯位和腹拱跨中開裂，主要提出了兩種加固方案。

3.1 方案一：改拱式拱上建筑為連續(xù)板式拱上建筑

方案一如圖4所示，主要加固要點為：

圖4 方案一加固示意圖

(1)首先對全橋進行全面的檢查，對裂縫、漏筋等橋梁固有病害進行處理。

(2)拆除全橋范圍內(nèi)的橋面系部分(含人行道、欄桿、橋面鋪裝)。

(3)拆除兩側(cè)腹拱圈范圍內(nèi)的拱上填料、側(cè)墻和腹拱圈及橫墻上部墊梁，在拆除時注意兩橋臺側(cè)對稱拆除。

(4)對橫墻進行加高加固處理,橋臺前墻鑿出部分混凝土作為現(xiàn)澆梁支撐,1號橫墻頂環(huán)保碳纖維布進行補強，大里程側(cè)橋臺前墻通過植筋澆筑25cm厚混凝土進行加固。

(5)在主拱圈上搭設(shè)支架，現(xiàn)澆空心板梁。

(6)恢復(fù)全橋橋面系部分及排水設(shè)施。

(7)安裝兩側(cè)橋臺伸縮縫。

(8)施工過程中，務(wù)必保證對稱、均衡施工，保證主拱圈受力對稱、均衡。

3.2 方案二：加固腹拱圈

方案二如圖5所示，主要加固要點為：

圖5 方案二加固示意圖

(1)橋梁裂縫、漏筋處理及大里程橋臺前墻加固同方案一。

(2)臨時支撐體系,拆除兩側(cè)橋臺2號橫梁外橋面系部分、拱上填料、側(cè) 墻及1號和2號腹拱圈。

(3)1號腹拱前墻處做牛腿，2號和3號橫梁上外包混凝土，均先植筋，再澆筑混凝土。

(4)先現(xiàn)澆2號腹拱，再現(xiàn)澆1號腹拱。

(5)恢復(fù)1號和2號腹拱上側(cè)墻及拱上填料，拱上填料采用砂礫石。

(6)恢復(fù)拆除的橋面系部分及排水設(shè)施。

(7)安裝兩側(cè)橋臺伸縮縫。

(8)施工過程中，務(wù)必保證對稱、均衡施工，保證主拱圈受力對稱、均衡。

3.3 方案選擇

方案一通過改變拱上建筑的結(jié)構(gòu)體系，減輕了拱上自重，改善了結(jié)構(gòu)受力狀況，使主拱圈的強度富余量更加合理，且后期養(yǎng)護比較容易，徹底解決了橋梁的既有病害,但造價相對較高、施工難度較大；方案二針對性較強，施工難度和造價相對較低，通過設(shè)置牛腿，更換1號和2號腹拱圈，完全滿足設(shè)計要求，但結(jié)構(gòu)體系和拱上荷載基本沒有變化，在長時間運營中，可能會出現(xiàn)新的病害，且主拱圈的強度富余量不夠合理。經(jīng)專家評審,將方案一作為本橋的最終施工方案。

4 計算分析

4.1 結(jié)構(gòu)建模

本次計算采用橋梁博士V3.2進行內(nèi)力計算，根據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D61-2005)進行相關(guān)強度及穩(wěn)定驗算。驗算活載采用公路-II級，雙車道，整體升降溫均按20℃考慮。主拱圈強度計算時，考慮5%的舊橋折減，全橋模型如圖6和圖7所示。

圖6 全橋模型(加固前)

圖7 全橋模型(方案一)

4.2 主拱橋強度驗算(加固前)

主拱圈加固前成橋階段強度驗算結(jié)果如表1所示。

表1 主拱圈加固前成橋階段強度驗算結(jié)果

從表1可知：原拱橋成橋階段滿足04版規(guī)范要求，成橋階段拱腳富余量3.0%、拱頂富余量69.3%，拱腳富余量偏小。

4.3主拱圈強度驗算(方案一)

主拱圈加固后(方案一)成橋階段強度驗算結(jié)果如表2所示。

表2 主拱圈加固前成橋階段強度驗算結(jié)果

從表2可知：方案一通過調(diào)整拱上建筑結(jié)構(gòu)體系，成橋階段主拱圈拱腳富余量35.8%，較原橋富余量增大32.8%，拱頂富余量35.5%，較原橋富余量減少33.8%，總的來說，主拱圈的強度富余量更加合理。

4.4 施工階段主拱圈變形控制

全橋拆除過程中共分為3個階段：

第一階段：拆除全橋人行道、護欄及橋面鋪裝；

第二階段：拆除腹拱圈的拱頂填料；

第三階段：拆除腹拱圈。

本橋在拆除橋面鋪裝、腹拱頂?shù)墓吧咸盍霞案构叭Φ氖┕み^程中，主拱圈的拱腳、1/4處及拱頂?shù)淖畲笞冃瘟堪幢?控制。

表3 施工階段主拱圈變形量

5 結(jié)論

(1)修建于20世紀70～80年代的預(yù)制混凝土箱型拱橋大多參照當時的通用圖設(shè)計施工,在國內(nèi)西部較為常見,腹拱錯位在同類型橋梁中均有發(fā)現(xiàn),跨徑越大整體降溫溫差越大,病害越明顯。

(2)針對預(yù)制箱型拱橋腹拱錯位錯位的加固方案,主要有兩種方法,一種是調(diào)整拱上建筑結(jié)構(gòu),變腹拱圈為梁式結(jié)構(gòu)，另一種是加固腹拱圈結(jié)構(gòu)本身,如設(shè)置牛腿、更換腹拱圈、粘貼鋼板等方法，兩種加固方法均有工程實例，具體加固方法應(yīng)根據(jù)病害狀況和工程造價等綜合確定。

(3)拱橋加固時拆除原拱上建筑,技術(shù)要求非常高,必須嚴格按照對稱、均衡、分層的原則進行，且要隨時對主拱圈的變形進行觀測，并進行必要地防護支撐，確保施工過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，在設(shè)計時，應(yīng)充分考慮主拱圈在各個施工階段的變形控制值及必要地防護支撐措施，以利于指導(dǎo)施工，但這一點在設(shè)計時往往被忽略掉，應(yīng)引起重視。

(4)本橋加固后已進行了近兩年的運營,經(jīng)過荷載試驗和檢測,橋梁的技術(shù)狀況良好,達到了預(yù)期效果,取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益,可為同類型橋梁加固改造提供借鑒。

[1] 董珍林.預(yù)制混凝土箱型拱橋腹拱錯位的加固與分析[J].城市建設(shè)理論研究,2011，(10)

[2] 張淼.鋼筋混凝土箱型拱橋病害分析及維修加固方法研究[D].西南交通大學(xué)，2009