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)

0 引言

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(wèn)題[1]。通常在采用拱橋作為主橋時(shí)，都會(huì)采用抗推剛度足夠大的制動(dòng)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(duì)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(duì)一座曾經(jīng)過(guò)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)。

1 工程概況

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(jiǎn)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(tái)，其中0#臺(tái)為樁基礎(chǔ)，7#臺(tái)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_(kāi)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(hào)墩整體剛度以平衡水平推力；0號(hào)臺(tái)臺(tái)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(dòng)墩抗推剛度下降時(shí)，剛架拱水平推力無(wú)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(cè)報(bào)告，橋梁主要病害為：T梁濕接縫及橫隔板存在大量開(kāi)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(duì)橋梁進(jìn)行動(dòng)靜載試驗(yàn)后表明，橋梁可滿足公路-Ⅱ級(jí)荷載要求。

圖4 T梁橫隔板開(kāi)裂

圖5 水下樁基鋼筋籠外露

由于本項(xiàng)目對(duì)工期及造價(jià)的要求較嚴(yán)格，且橋梁動(dòng)靜載均能滿足荷載試驗(yàn)的要求，說(shuō)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。

2 橋梁計(jì)算分析

2.1 T梁病害成因

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(kāi)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(duì)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(jiǎn)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(duì)比，從而量化支撐梁對(duì)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(jiàn)表1、表2及表3。

表2 增加支撐梁前后T梁彎矩對(duì)比(單位：kN·m)

表3 增加支撐梁前后T梁橫隔板彎矩對(duì)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(jiǎn)支梁T梁計(jì)算模型(對(duì)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(hào)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(hào)墩傳遞至0號(hào)臺(tái)時(shí)，受1～4號(hào)墩逐步削減，最終傳遞至0號(hào)臺(tái)時(shí)為3 318kN，約為5號(hào)墩處的76.7%。

根據(jù)表2、表3可知，增加支撐梁后，2號(hào)及7號(hào)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(hào)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(lái)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(kāi)裂并蔓延至濕接縫處。

2.2 樁基承載能力

對(duì)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(jiàn)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(duì)樁基進(jìn)行外包砼處理并回填河床[5-6]。

3 橋梁加固設(shè)計(jì)

結(jié)合2019年橋梁檢測(cè)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(jí)荷載作用下的使用要求，故只需對(duì)T梁橫隔板及5號(hào)墩處河床及樁基進(jìn)行加固。加固內(nèi)容：(1)5號(hào)墩水下樁基外包混凝土處理；(2)5號(hào)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。

3.1 樁基水下外包混凝土加固

樁基水下外包砼采用水下蛙人作業(yè)法進(jìn)行處理。通過(guò)利用水中蛙人在水下對(duì)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。

3.2 河床拋石回填

5號(hào)墩樁基處理完成后，為防止水流沖刷對(duì)樁身再次造成損傷并防止河床進(jìn)一步下切，需對(duì)5號(hào)墩進(jìn)行拋石處理。

由于5號(hào)墩基礎(chǔ)樁基數(shù)量較多且分布較為密集，在承臺(tái)范圍內(nèi)采用堆填級(jí)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。

3.3 T梁橫隔板外包砼增大截面

橫隔板外包砼處理主要針對(duì)2號(hào)～7號(hào)梁間的橫隔板，其中對(duì)于嚴(yán)重開(kāi)裂且裂縫已貫通至濕接縫的橫隔板進(jìn)行鑿除重做，對(duì)于輕微開(kāi)裂的橫隔板在對(duì)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)

4 加固效果

對(duì)加固后的T梁進(jìn)行動(dòng)靜載試驗(yàn)，并與加固前的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 T梁加固前后動(dòng)靜載試驗(yàn)對(duì)比

從表5可見(jiàn)，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(guò)加固后，橋梁剛度及整體性均得到提升。

5 結(jié)論

本文結(jié)合工程實(shí)際需求，對(duì)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(huì)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(huì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(huì)效益?，F(xiàn)狀橋梁已加固完成，加固后橋梁能滿足公路Ⅱ級(jí)下的動(dòng)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。