某钢筋混凝土箱型拱桥的加固设计
2015-09-14
一、桥梁概况
某钢筋混凝土箱型拱桥桥梁全长115.0m，桥面全宽11.6m。桥面横向布置为0.25m（护栏）+1.05m（人行道）+9.0m（行车道）+1.05m（人行道）+0.25m（护栏）。桥梁原设计荷载为汽车-20级，挂-100。桥梁跨径组成为1×10m+1×70m+1×10m。主跨上部结构采用预制钢筋混凝土箱型板拱，横向布置6块宽1.5m的预制钢筋混凝土拱箱，矢跨比为1/6；主跨两侧各设置4孔腹拱，腹拱净跨径为5.0m，矢跨比为1/6，腹拱拱圈采用预制钢筋混凝土板拱，单块板宽为1m,单孔横向布置9块；下部结构为重力式桥台，扩大基础；桥面采用沥青混凝土铺装；两侧设置0.25m宽护栏；全桥未设置伸缩缝。
二、桥梁主要病害
2011年3月检测时发现0号桥台侧1号腹拱拱脚下沉错位严重，下沉错位最大达5.0cm，两岸引孔跨中处顶部均存在横向贯通裂缝。2011年4月复检时发现0号桥台侧1号腹拱原下沉部位下沉量发展较快，且此部位的腹拱上侧墙也随之下沉，复检时发现已下沉6～7cm，导致侧墙与桥台前墙顶部出现错台，并且与人行道纵梁间出现脱空现象，脱空最大达10cm；腹拱拱圈预制件拱脚处混凝土破碎露筋，拱上腹拱横墙顶部即腹拱拱座处混凝土受压破损开裂，情况严重。其余部位病害复检时未发现有明显的发展趋势。
三、主要病害成因分析
3.1 端腹拱拱脚下沉、错位
3.1.1 成因推断
根据现有设计及竣工资料，拱桥端腹拱设计为三铰拱，并且设置变形缝以适应桥梁变形。而从现场调查情况来看，端腹拱为简单支撑体系，拱脚位置未见铰接处理，也未设置变形缝，腹拱前墙拱脚贴合处构造角度较小，对拱圈约束作用较弱，且未设置防落梁构造。拱桥主拱圈在材料收缩和温度变化作用下，其拱轴线将对称的升高或降低；在荷载作用下将产生对称或不对称的变形，而拱上建筑也会随着主拱的变形而变形。
在降温作用下，由于主拱圈的变形引起腹拱横墙及腹拱圈在顺桥向河心方向发生变位，而端腹拱河岸侧拱脚未设置有效的铰结构连接，对端腹拱拱脚纵向水平位移基本无约束作用，而腹拱前墙刚度较大，受温度影响引起的水平变位相对较小，腹拱前墙设置在主拱拱脚位置，受主拱圈变形影响也较小，从而导致腹拱前墙与腹拱圈不能协调变形，拱脚贴合面处腹拱圈与腹拱前墙间在降温作用下呈剥离趋势，抵抗拱脚下沉的贴合面之间的支撑摩擦作用被削弱，同时腹拱前墙拱脚处未设置防落梁构造，导致拱桥端腹拱拱脚产生下沉错位现象。
经调查该拱桥上经过的运输铁路施工材料的重车较多，当重载车半孔加载时，承载半孔的主拱圈部分向下变形，空载半孔部分向上变形，重载侧的端腹拱将随主拱圈向河心方向变位，重载冲击作用导致端腹拱河岸侧拱脚逐渐错位、下沉，并与拱上侧墙剥离，同时桥面对应位置出现开裂、错台；而后在升温作用下，由于主拱圈的变形引起腹拱横墙及腹拱圈在顺桥向向河岸方向发生变位，端腹拱拱脚已错位、下沉，与腹拱前墙抵死而不能复位，导致腹拱圈计算跨径增大，在升温作用下受到来自水平方向的挤压作用，拱顶截面承受较大负弯矩而导致端腹拱拱顶上缘发生开裂现象。
3.1.2 计算分析
计算采用桥梁有限元计算软件Midas/Civil建立计算模型，拱桥端腹拱按实际状况简支体系模拟。桥梁位于严寒地区，整体升温按34℃取值，整体降温按-23℃取值，汽车荷载采用原设计荷载汽车-20级，挂-100，从理论计算上对拱桥病害的成因推断进行验证。
计算结果表明，拱桥在降温作用下，端腹拱河岸侧拱脚与腹拱前墙顶端相对位移为11.0mm，端腹拱河岸侧拱脚向河心侧位移为8.6mm，而腹拱前墙顶端向河岸侧位移仅为2.4mm；升温作用下，端腹拱拱圈受腹拱前墙限制，向河岸侧水平位移仅为1mm。
3.1.3 综合分析
推断与结构计算结论基本吻合，综合桥梁病害状况、竣工图与实际构造的差异、桥梁近年交通量增大状况及结构计算等几方面判断，端腹拱河岸侧拱脚错位下沉为腹拱构造处理不当、温度影响及超重车冲击所致。
3.2 引孔拱顶横向开裂
该拱桥建成年代比较早，建设标准较低，加之近年来运输铁路施工材料的重车较多，超载车辆反复作用，导致引孔拱顶下缘横向开裂。
四、维修加固设计内容
本次设计以排除端腹拱处安全隐患，缩短施工工期，尽快恢复交通为原则。
4.1 端腹拱下缘粘贴钢板
在端腹拱拱圈下缘顺桥向粘贴Q345钢板进行补强，同时防止顶升过程中腹拱圈拱顶下缘发生开裂，提高施工安全性，钢板宽度为30cm，厚度为6mm，每块腹拱板下缘横向布置2条，单侧腹拱圈共计18条，在钢板端部设置顶升楔形块，采用C40聚合物混凝土灌实，作为千斤顶顶升着力面。
4.2 增设顶升支撑装置及牛腿
为阻止端腹拱拱圈的持续下沉，在端腹拱两侧的腹拱前墙及Ⅰ号腹拱横墙上增设钢筋混凝土牛腿，通过种植钢筋和在新老混凝土结合面凿毛与腹拱前墙及Ⅰ号腹拱横墙连接，牛腿顶面与腹拱圈钢板楔形块之间铺垫三层油毛毡，腹拱圈可在水平方向自由伸缩且保证有足够的支撑宽度。
在腹拱前墙及Ⅰ号腹拱横墙拱脚下方40cm处横向通长设置支撑装置作为顶升反力架，支撑装置为Q345钢板焊接而成，采用高强锚栓锚固于腹拱前墙及Ⅰ号腹拱横墙，同时作为浇筑新增牛腿混凝土的底模使用，并与新增牛腿共同参与受力。
4. 3 设置临时支撑
为防止顶升过程中端腹拱拱圈发生破坏，顶升前在端腹拱设置满堂支撑，以确保施工安全。
4. 4 腹拱拱座环向粘贴钢板
针对腹拱拱座裂缝，采用环向粘贴宽度30cm，厚度为6mm的Q345钢板进行补强，腹拱拱座粘贴钢板构造。
4. 5 引孔增设钢筋混凝土套拱
针对引孔拱顶横向贯通裂缝，采用增设25cm厚现浇钢筋混凝土套拱进行补强，套拱按无铰拱设计，套拱通过种植钢筋与原引孔拱圈连接。
五、结论
（1）通过在拱桥端腹拱两侧的腹拱前墙及Ⅰ号腹拱横墙上增设钢筋混凝土牛腿，牛腿顶面与腹拱圈钢板楔形块之间铺垫三层油毛毡，阻止了端腹拱的持续下沉，并且端腹拱拱圈可在水平方向自由伸缩且保证有足够的支撑宽度，改善了桥梁的受力状态。
（2）通过在拱桥引孔增设25cm厚现浇混凝土套拱，提高了桥梁的承载能力。
