雙曲拱橋病害原因及加固方法
2015-08-17
一、病害及成因分析
經過現(xiàn)場目測和荷載試驗,發(fā)現(xiàn)雙曲拱橋上部結構的病害較多,主要有:拱肋拱軸線的變形;拱波縱向開裂;拱肋開裂;橫系梁開裂或脫落;側墻鼓脹外傾等。
(一)拱肋拱軸線的變形。其主要表現(xiàn)之一為拱頂處拱肋下沉,該處拱肋底部部分出現(xiàn)多條U型裂縫,開展形式多為由下至上,部分貫通整個拱肋斷面,裂縫形式表現(xiàn)為下寬上窄;同時拱頂上部的側墻底部與拱肋明顯脫離,砂漿砌縫已經開裂,部分砂漿已經脫落。這種情況是非常危險的,其產生的主要原因是主拱肋配筋較少。拱肋的承載能力不足所引起的。對于小跨徑拱橋而言,活荷載在拱頂處所產生的彎矩作用遠大于恒載作用,而其產生的軸力卻小于恒載作用,造成部分拱肋偏心距偏大,抗彎承載能力不足。長期以來,車輛荷載等級的不斷增加,交通流量的加大,使得拱橋的承載能力儲備越來越少,拱軸線逐漸發(fā)生了較大變形。如果裂縫處于閉合狀態(tài),拱頂裂縫的出現(xiàn)可能是由于短時間內的車流量驟增,或車輛荷載的驟然加大所致,當荷載作用減少時,裂縫自然閉合,盡管如此其荷載作用已經對結構造成破壞,養(yǎng)護部門應該在日常養(yǎng)護過程中加強觀測,必要時采取限制通行措施。拱軸線變形的另一種表現(xiàn)為拱肋L/4處發(fā)生變形,造成部分腹拱或立墻上拱下?lián)掀茐?一般情況下該處變形較小,但一部分中小拱橋此處存在變形的情況,這種情況多由于橋面局部凸凹不平,重荷載反復沖擊,造成拱圈的偏載作用所致。
(二)拱肋。拱肋的橫向開裂、拱頂下沉一般同時產生,原因主要有三個方面:一是拱肋截面過小,鋼筋含量過少,拱肋的承載能力和抗開裂能力不高;二是拱肋受力的不均勻性,導致單肋受力過大;三是基礎下沉及傾斜造成的。拱肋的接頭也是病害問題較多的部位,容易出現(xiàn)接頭鋼板銹蝕、混凝土破碎等現(xiàn)象。拱肋的病害對結構影響較大,影響著橋梁的整體安全,必須認真對待。
(三)橫系梁。橫系梁開裂或脫落,主要原因是設計尺寸較小,強度和剛度也相應較弱,與橫肋聯(lián)結處的抗剪能力也偏小,當承受較大的外荷載作用時,產生較大的內力和變形,導致橫系梁開裂、脫落,無法有效地橫向分配荷載,并引起拱肋的受力與變形不均勻,加劇了橫系梁的病害產生。
(四)腹拱。橫向開裂是常見的病害。從構件材料來說,腹拱圈為素砼:素砼抗彎抗拉能力較差,且一旦開裂裂縫將急劇發(fā)展。在20世紀70年代由于片面強調節(jié)省鋼材。對于腹拱這樣的次要構件,含筋率通常較低。腹拱沒有設鉸,也是其開裂的一個原因。
(五)側墻鼓脹外傾。雙曲拱橋的拱上填料多為二灰渣,密實度較低,且容易積水。受水的長期浸泡,拱上填料會產生體積膨脹,此外,填土在傳遞荷載過程中,會對側墻產生一定的側壓力。這些都使得側墻鼓脹外傾。
(六)橋面系主要病害。主要病害為橋面下沉、欄桿及人行道系破壞等,其主要原因是路面材料選用不當和養(yǎng)護不周而造成的。
(七)下部結構。其病害的主要表現(xiàn)形式有:基礎局部沖空;承臺豎向開裂或向一側傾斜;基礎下沉等。這類病害在其它型式橋梁中也是常見的。雙曲拱橋這種邊設計邊施工,缺乏系統(tǒng)的設計和施工質量保證體系,因而設計、施工質量普遍低。其基礎大部分都是重力式擴大基礎或樁基礎。重力式擴大基礎由于埋置深度較淺,抗洪水沖刷能力弱;采用樁基礎時,又是以單排樁居多,人土深度淺,橋墩剛度較小。由橋梁設計計算水平有限,計算工作極為繁瑣,全面地考慮各種因素的影響較為困難,計算中通常需進行簡化,簡化工作一般包括:a,不計部分因素的影響;b,減少計算截面。對于前者不難理解,由于不能全面地考慮各種因素的影響,必然會帶來計算結果的誤差,當所舍去的因素影響較大時則有可能使計算結果得出錯誤的結論。
二、加固方法
(一)改變拱上建筑的結構體系:將原拱式腹孔改成梁式腹孔,即撤除腹拱,保留原拱上橫墻并將其加高至設計標高,再在橫墻上安裝預制空心板,兩端簡支,可達到減輕拱上建筑重量,從而降低主拱圈應力水平的目的,同時替換了原橋嚴重破損的腹拱。
(二)在主拱圈拱板上面新澆筑拱肋,增大主拱圈截面,改善了主拱圈內的內力分布狀況。對于折線形拱板需要先填平溝壑,通過植筋使新舊混凝土更好的結合作用。施工條件允許的情況下,在拱腳附近做變截面處理更合適些。
(三)全橋新增橫向聯(lián)系,也可以增加封閉的橫向聯(lián)系,這樣就使得原來簡單的多條拱肋變成了一箱多室的截面形式,加強原橋各拱肋間的整體性,改善荷載的橫向分布狀況。
(四)通常在現(xiàn)有各腹拱墩兩外側(縱橋向)各設置一層鋼筋網,并每側現(xiàn)澆適當厚度的混凝土,以增強現(xiàn)有腹拱墩的整體受力性能和抗彎強度。
(五)早前為了施工方便主拱圈都做成了等截面,但和實際受力情況是有出入的,所以后期加固一般都在拱腳位置植上短筋,澆筑混凝土,加大此部位截面面積。近些年來也有一些學者,嘗試著在拱腳位置將原來的無鉸拱通過某些工藝做成平鉸的形式,釋放了拱腳一部分彎矩,使得主拱圈內力得到重分配。
(六)可以采用鋼筋和混凝土外包加大原拱肋,以擴大拱肋截面尺寸,增加拱肋斷面的含筋率,提高拱肋的抗彎剛度;也有一種加固方法就是粘貼鋼板,但受限于拱肋截面,外包混凝土居多,也有學者先將鋼板錨固在原有拱肋下面,再澆混凝土。
(七)預推法調整拱腳水平位移,適用情況:由于地基軟弱,橋臺產生較大水平位移與沉降,導致主拱圈變形的病害。對于橋后填土過大引起的橋臺位移,可以在橋臺后設置新的橋中墩,通過減載改善橋臺的受力。
結論:目前新建橋梁中已取消了雙曲拱橋,但對于原有的雙曲拱橋,如果采用合適的加固方法,舊橋還是可以服役相當長一段時間的,這主要是基于主拱圈仍具有相當的承載力。對其加固方法,現(xiàn)在看來也是五花八門,但若基于其破壞機理,方法也是可用的。
