[科普中国]-拱波

拱波双曲拱桥加固技术1桥梁概况

增田大桥全长125.836 m ,建成于1976 年,运营至今已有三十余年。大桥上部结构为7 孔净跨径约为15 m 的现浇式拱波(板)双曲拱。依据现场实测主拱肋下缘坐标, 推定大桥主拱圈拱轴线为m =2 .814 的悬链线,净矢跨比为1/7。现场实测主拱肋宽度为20 cm ,拱肋间净距为234 cm ,主拱圈总宽度为788 cm ,总高度为80 cm 。每跨主拱圈上对称设置有4 个腹孔,且各桥墩、台处均设置有1 个腹孔。大桥下部结构为扩大基础配重力式桥墩及桥台, 且扩大基础下设有松木桩。此次加固前已对1号, 3号及4号桥墩扩大基础先后两次采用外包混凝土进行加固。 第一层及第二层新增外包混凝土扩大基础襟边宽度分别约为95 cm,30 cm 。

2大桥原有病害及其成因分析2.1主拱圈病害及其成因

通过现场对主拱肋下缘坐标进行测量后发现:

1)主拱圈拱轴线线型为有利于拱式结构受力的悬链线;

2)各跨实测拱顶标高与推定标高的高差相比较, 分别下挠了2.3 cm～51.8 cm, 四分跨截面则分别下挠了1.9 cm ～85 .2 cm 。可见除了因施工误差导致主拱肋实测线型与推定线型间存在差距以外, 还存在因主拱肋长期承受超重车辆荷载反复作用后累积下挠的缘故。现场对主拱圈进行病害检查时发现, 主拱圈原有结构性病害为拱波波顶沿纵桥向开裂, 裂缝宽度为0.2 mm～0.5 mm, 并有部分裂缝贯穿全跨。 主拱圈拱脚附近拱背与拱波波顶对应位置存在纵桥向裂缝。另外, 主拱圈还存在主拱肋局部钢筋外露并锈蚀, 拱波开裂处渗水并有白色晶体析出等病害。

分析发生拱波波顶开裂的主要原因是增田大桥主拱圈形式与其他常见的、采用预制安装方式施工拱肋和拱波, 然后现浇拱板形成的双曲拱桥主拱圈形式不同。 本桥双曲拱主拱圈采用先吊装拱肋, 再直接现浇拱波(板)的方式进行施工。而且主拱圈拱波波顶处的厚度仅有5 cm ,小于预制安装方式施工的主拱圈拱波波顶的厚度(一般拱波波顶处拱波与拱板厚度之和为12 cm～18cm)。再加上拱波跨度较大且坦,而大桥原设计荷载等级较低, 在长期的超重车辆荷载反复作用下, 拱波波顶承受了过大的弯矩而开裂。

2 .2 腹孔病害及其成因

现场病害检查发现, 各桥墩、台处腹拱圈及主拱圈距拱脚第一个腹拱圈拱顶位置处均存在横桥向贯穿裂缝, 部分腹拱圈于桥面中心线附近纵桥向开裂。各腹拱圈下缘均存在渗水, 并有白色晶体析出现象。 腹拱墩未发现肉眼可见的结构性病害。 分析腹拱圈发生上述病害的主要原因是腹拱圈矢跨比较小(矢跨比为1/5 .89～1/5 .57)、厚度较薄(腹拱圈厚度为18 cm),在超重车辆荷载反复作用下, 腹拱圈拱顶处因承受了超过其承载力的正弯矩发生横桥向开裂。 腹拱圈纵桥向开裂则与大桥横向整体刚度较低有关。

2 .3 桥面系及侧墙病害

增田大桥加固前采用沥青碎石桥面。 现场病害检查时发现腹拱圈横向裂缝发展至侧墙, 进而延伸至人行道板, 导致人行道板横向开裂。 行车道局部存在坑槽且存在多条纵、横向贯穿裂缝(裂缝宽度多在0.5 mm～3 mm之间), 且桥面纵向裂缝位置与主拱圈拱波波顶位置相对应, 可见大桥横向整体刚度不足。

由于大桥桥面破损, 桥面积水渗透至拱腔填料内, 使得拱腔填料遇水膨胀, 在车辆荷载的共同作用下, 横桥向推动拱上侧墙外移并纵桥向严重开裂, 甚至局部产生外移。

2 .4 下部结构及河床主要病害

大桥桥址处河床冲刷现象严重, 目前1号, 3号及4号桥墩均先后两次采取外包混凝土加固原有扩大基础。目前, 3号墩上游侧基础底部再次被水流掏空, 严重危及大桥安全。

3加固前、后结构理论分析根据增田大桥结构形式、实际状况及受力特点, 着重对拱脚、八分跨、跨中截面进行验算。 加固前、后的理论分析荷载组合方式均按“ 1.2结构自重+1.0收缩徐变+1.4(1.0公路Ⅱ级+0.7人群+0.49降温)” 取值。结构理论分析结果见表1。加固前大桥拱脚及跨中截面在现行规范荷载等级“ 公路— Ⅱ级” 的作用下均不能满足规范要求;加固后大桥主拱圈各控制截面承载力均满足现行规范的要求。

4大桥加固提载技术研究1)主拱圈加固提载技术。对主拱肋三周外包10 cm 厚的C40 微膨胀混凝土, 以提高主拱圈正弯矩区段的承载力, 并在各跨距拱脚最近的一个拱上腹孔范围内的拱背上缘均现浇一层C40 钢筋混凝土, 提高主拱圈拱脚附近抵抗负弯矩的能力。

2)套拱法加固提载腹孔圈技术。大桥腹拱圈病害严重且承载力不足, 因此在腹拱圈下缘增设钢筋混凝土套拱来加固腹拱圈, 达到增大腹拱圈截面面积、提高其承载力的目的。

3)加固下部构造及河床铺砌技术。对被水流冲刷严重或已掏空的水下基础四周开挖至岩层50 cm 深处,再对开挖面至基础顶面以上50 cm 范围内现浇C20 水下混凝土。对第一跨及第四跨的河床进行整平, 再在其表面铺砌厚度不小于30 cm的浆砌片石来加固河床。 河床铺砌延伸至现有桥墩基础上、下游侧边线以外各8 m(横桥向)处,并在河床铺砌的上、下游侧均设置浆砌片石挡墙。

4)加固桥面系及侧墙技术。凿除原有桥面铺装后,拆除已发生外移及开裂的拱上侧墙, 再采用浆砌片石重新砌筑侧墙至原有顶面标高, 并重做整体式钢筋混凝土桥面板(C40防水混凝土),增强大桥横向整体受力性能。 对人行道系则采用拆除后重新预制安装人行道π 形板并现浇缘石, 安装栏杆柱、扶手的方式加固。

5结语增田大桥双曲拱主拱圈的结构形式不同于一般双曲拱桥, 其拱波(板)采用现浇方式施工。大桥因此出现了不完全相同于其他典型双曲拱桥的病害。 不同处具体表现为大桥横向整体性更为薄弱, 拱波波顶开裂的现象也更为严重。在对大桥进行加固时综合考虑了桥梁实际病害及结构理论分析结果, 对主拱肋三周及拱脚段拱背上缘采用现浇钢筋混凝土的方式分别提高跨中及拱脚截面承受弯矩的能力, 并设置整体现浇桥面板提高大桥的横向整体性。另外还应用到了对腹拱圈增设套拱、现浇钢筋混凝土加固侧墙等技术。 对河床严重冲刷的问题, 则采用浆砌片石铺砌配合上、下游挡墙的方式予以根本解决。1