国道318线磨子沟大桥维修加固工程设计

2015-10-29陈仁普廖琪斌

建材与装饰 2015年9期

关键词：拱圈桥台桥面

陈仁普　廖琪斌

（四川省交通运输厅交通勘察设计研究院四川成都　610000）

国道318线磨子沟大桥维修加固工程设计

陈仁普廖琪斌

（四川省交通运输厅交通勘察设计研究院四川成都610000）

本文以国道318线二郎山至康定二级公路磨子沟大桥为背景，采用较简易方法加固上承式钢筋混凝土箱型拱桥。经加固后可满足现行公路荷载标准要求，本次加固特点是效果好，施工进度快，加固费用相对较省。

钢筋混凝土箱型拱桥；病害；加固；计算验证

1　概况

磨子沟大桥位于国道318线二康路泸定县城附近，本桥于2004年竣工，桥梁结构为上承式钢筋混凝土箱型空腹式拱桥，全长110m，净跨80m，净矢高13.33m，拱轴线为悬链线，拱轴系数为2.54，桥面纵坡为3%。拱肋为密排闭合箱型截面，桥面总宽度9m（车行道8m，防护栏2m×0.5m），原设计荷载为汽-20、挂-100。

图1　桥梁立面图

近年来，随着国道318线车流量不断增大，桥上经常发生拥堵，并且超重车辆较多，桥梁负荷较为严重。为了解该桥的实际状况，确保桥梁结构安全，2011年7月对该桥进行了检测及荷载试验，检测结论主要为：主拱及腹拱上下游侧拱轴线一致性较好；主拱、腹拱、横墙及拱座混凝土实测强度大于设计强度，局部轻微碳化；表面均可见大量裂缝，以纵桥向裂缝为主，部分裂缝超限，多处裂缝修补后再次开裂；主拱及雅安端边腹拱强度和刚度满足设计荷载等级要求，但主拱强度储备偏低，桥梁技术等级评定为四类桥梁。

2　主要病害情况介绍

2.1主拱拱箱

（1）主拱圈底面存在大量纵桥向裂缝，遍布主拱拱底，裂缝宽度介于0.05～0.25mm之间，裂缝长度介于25～270cm之间，部分裂缝已超过规范宽度限值，拱圈底面拱顶区域存在数条横向裂缝。拱底可见大量裂缝修补痕迹，部分修补处再次开裂。拱底距康定端拱脚约4.9m处5m范围内可见10处较大面积的混凝土修补痕迹；拱底雅安端L/8附近2m范围内可见5处混凝土修补痕迹；拱底距雅安端拱脚约3m处混凝土可见横桥向狭长修补痕迹，并有破损露筋现象。

（2）主拱拱背也存在一定数量的裂缝。裂缝分布方向主要以纵桥向为主，部分裂缝修补后再次开裂。为便于叙述，依据腹拱的位置，由康定至雅安方向依次编号为1～8号。

现场检测看1～8号腹拱除3号未见病害外，其余腹拱均存在宽0.06～0.3cm，长50～270cm纵向裂缝，且可见裂缝修补痕迹。

（3）经与检测单位沟通，对于拱轴线结论为以“主拱上、下游拱轴线与设计拱轴线相比吻合较好”。此次加固设计亦以此为准，认为拱轴线没有发生偏移。

（4）静载试验。

①挠度测试结果：主拱结构挠度校验系数介于0.42～0.63之间，主拱结构刚度良好。边腹拱结构挠度校验系数介于0.57～0.62之间，边腹拱结构刚度良好。

②应力测试结果：主拱结构整体残余应力较小，结构应力校验系数介于0.45～0.95之间，部分校验系数偏大，主拱结构强度储备偏低。边腹拱结构应力校验系数介于0.52～0.69之间，残余应力所占比例为0～21%，边腹拱结构强度良好。

（5）动载试验。

①结构自振特性测试结果：结构刚度良好。

②结构动力反应试验：行车冲击系数介于1.08～1.21之间，行车对桥梁结构的冲击作用处于正常范围内。跳车冲击系数介于1.43～1.94之间，表明跳车对桥梁的冲击作用略大，说明桥面的不平整或坑洼对主拱结构影响较为明显。

2.2腹拱及拱上横墙

（1）1～8号腹拱均可见多处裂缝及裂缝修补痕迹，其中多处修补处可见再次开裂，部分裂缝已超过规范宽度限值。各拱脚与拱座连接处混凝土均存在不同程度破损、浸水现象，部分混凝土存在钙化现象，腹拱典型病害见图2～3。

图2　腹拱拱脚与拱座连接处渗水印迹

（2）多处横墙可见裂缝修补痕迹及多条竖、横向裂缝。横墙与拱座连接处可见混凝土破损、钙化现象，主拱及腹拱拱座均可见多处裂缝修痕迹，部分修补处再次开裂，多处混凝土破损并可见浸水印迹。

2.3拱座及桥台

检测报告显示桥台及拱座的混凝土强度大于原设计强度值，未提及桥台存在沉降、裂缝等病害情况。提及拱座存在裂缝和浸水等病害，从上述可知桥台病害不严重。针对拱座表层开裂的问题，桥台拱座出现裂缝，设计考虑对该部位进行补强处理。

图3　腹拱拱顶混凝土钙化现象

2.4桥面板及附属设施

桥梁两端伸缩缝出现纵向错位4mm，横向错位8mm，伸缩缝宽度为31～35mm，有泥砂填充，止水带及周边混凝土有一定程度破损裂。桥面铺装可见大量裂缝修补痕迹，多处裂缝修补处再次开裂。桥面混凝土多处破损、开裂，裂缝宽度0.3～0.6mm，裂缝长度25～400cm，桥面裂缝多为网状裂缝，裂缝总数约为1107条（截止2011.08）。

3　病害原因分析

静载试验表明主拱圈刚度满足规范要求，但结构强度储备偏低。现场调查结果表明汽车通过桥梁时，车桥之间存在较强的动力耦合作用，表明桥梁动力刚度不足，这一方面是由于结构体系的原因，另一方面现有桥面破损起伏，汽车行驶过桥时对桥梁的周期性冲击，引发的共振效应也加剧了桥梁的动力响应，超载车辆的频繁作用则导致结构动力响应过大，桥面混凝土开裂破损及伸缩缝破坏造成桥面系渗水严重，这些因素构成了桥梁现有病害的重要原因。

据了解，近年来随着甘孜州大渡河多处水电站的修建，大量运输水泥、钢材的车辆往来于国道318线，而这些重车频繁的作用于桥上，这也正是2008年以来裂缝快速发展的一个主要原因。

在对桥面病害的分析过程中，桥台与桥面系存在一定的位移，现场踏勘时也可看出桥梁的侧墙存在向外侧偏移的趋势，这些现象说明拱上填料存在病害，拱上填料在经过多年的碾压、雨水渗透的影响，已经开始沉陷，并存在向外侧鼓出的趋势。

4　维修加固设计要点

加固设计本着安全、经济、便于施工的原则，结合该桥检测试验报告，加固整治着重针对主拱圈、腹拱及横墙、拱上填料、桥面系以及附属构造进行。因为检测单位报告未提及桥台台身出现沉降、裂缝等相关病害，加固设计以桥台台身完好进行考虑。

（1）在靠近桥台的两个腹拱（1号、2号、7号、8号）的主拱圈拱背上增加20cm的钢筋混凝土层，通过植筋的方式增加新旧混凝土间的粘结，加大主拱的截面，以此改善拱脚处主拱拱圈的整体性能。

（2）主拱圈拱底存在大量纵向细而密的裂缝，基本上定性为非受力裂缝。设计考虑在各主拱箱腹板连接处粘贴碳纤维布加强箱体的整体连接性，并进行横向压条加强各箱体的横向连接，不进行主拱圈全断面粘贴。粘贴碳纤维布可起到封闭一定数量的裂缝，起到增加安全储备及提高主拱耐久性的作用。

（3）对于腹拱开裂渗水的问题，主要通过修补裂缝后，并将原有填料用C20混凝土进行换填。通过此种方式，可提高腹拱的整体刚度与强度，防止腹拱圈进一步开裂。

（4）横墙及拱座开裂的问题，主要进行裂缝的修补。拱座表层粘贴一层碳纤维布封闭裂缝，防止裂缝的进一步发展。

（5）桥面系、护栏全部进行拆除重建，并同时按新的桥面防水方式做好桥面的防排水工作。

（6）维修加固设计考虑在主拱两端靠近桥台的一孔做成两铰拱，并将靠近拱顶的腹拱一端设置成铰，拱上填料、护栏以及侧墙均需进行断缝处理。

（7）全桥主拱圈、腹拱圈、横墙及拱座的裂缝及混凝土剥落按如下方式处理：对所有宽度大于0.15mm的裂缝进行灌缝处理，对宽度小于0.15mm的裂缝进行封闭处理。对蜂窝、麻面、剥落等一些浅表面的混凝土病害，用环氧树脂砂浆修补。

（8）维修加固设计对拱上填料进行了更换，因混凝土的密度大于水泥稳定碎石基层和浆砌片石的密度。设计考虑水泥稳定碎石基层、浆砌片石、C20混凝土、防撞护栏和桥面铺装钢筋的增重，合计增重约90t。为降低恒载，本次维修加固设计将桥梁标高整体降低，降低数值为5cm。降低的高程通过减小拱上填料的高度来形成，桥梁设计标高处拱上填料的高度由35cm减小至30cm。降低的桥面标高，通过前后路线标高顺接来过渡。

5　加固前后计算验证

（1）计算时所采用的桥梁结构尺寸、材料以原施工图设计为依据。检测报告认为各构件混凝土强度均能满足原设计要求，计算未考虑已产生的裂缝对结构本身的影响。

（2）计算中考虑正拱斜置，计入纵坡3%的影响。

（3）体系温差：经了解本桥为搭架现浇施工，且成桥状态下已经接近10年，混凝土收缩徐变已经基本完成。考虑系统温升、温降各按20℃计入。

（4）汽车冲击系数的考虑：主拱结构基频数值采用实测值2.75Hz，通过计算其汽车冲击系数μ=0.163，此数值小于检测单位的实测数值0.21，经比较，进行结构分析时采用汽车冲击系数μ=0.21。

（5）边界条件：考虑两拱脚固结，加固后考虑新旧混凝土共同参与受力。

（6）加固前后桥梁验算结果。

①加固之前桥梁按原设计荷载（汽-20、挂-100）计算，主拱承载能力计算结果如表1。

表1　加固前主拱承载能力计算结果

②加固之后桥梁按设计荷载（公路-Ⅱ级）计算考虑，主拱承载能力计算结果如表2。

表2　加固后主拱承载能力计算结果

从以上的结果可知，加固之后，拱脚截面的R/N有所加大，拱顶截面、L/4拱轴截面处的R/N基本未变化。由此可知，加固之后主拱圈的承载能力及安全储备均有所提高。

③加固之前与加固之后正常使用极限状态下的应力比较，见表3。

计算显示，加固后，拱脚截面及L/4截面处依旧是全截面受压，而拱顶下缘的拉应力有所减小。由此可知，加固后主拱圈在正常使用极限状态下的拉、压应力整体而言均有所改善。

6　结论

现有山区等级国省干道上的拱桥，由于受前期施工、重载运输车辆长期荷载作用及管理养护不到位等的影响，桥梁整体承载力及各部位都存在不能满足使用要求，有些还存在安全隐患。本文通过干线国道上箱形拱桥的加固，对病害进行了分析，并提出加固方法。通过加固后使用效果来看，本桥加固设计方案正确，且施工方法简易可行，为以后钢筋混凝土箱形拱桥病害处理，加固利用提供了参考经验。

[1]《国道318线二郎山至康定段公路改建工程-K2792+208.80磨子沟大桥施工图设计》.

[2]《国道318线二康路磨子沟大桥检测报告（2011.8.30）》.西南交通大学结构工程试验中心.