桁架拱桥拓宽提载技术研究

2011-02-06查帅坤章亮亮

山西建筑 2011年12期

查帅坤章亮亮

桁架拱桥具有结构刚度大、质量轻、节省材料、外形美观等特点，是一种受力合理及较为经济的桥型。但随着交通运输业的迅猛发展，交通运输量大幅度增长，行车密度及车辆载重日益增多，昔日建造的相当一部分桁架拱桥已经不能满足使用上的要求了。桥梁的陈旧、老化、承载力不足这一全球性的问题引起了世界各国的高度关注，并提高到了刻不容缓的议事日程上。为此国内外都在桥梁加固改造方面做了大量的研究和实践，积累了很多宝贵的经验。桥梁的加固方法可以简单归纳为:增大截面加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材料加固法、体外预应力加固法和改变结构体系加固法等。每种方法各有其优缺点及使用范围，本文介绍了前进大桥原有结构病害成因、加固前大桥现状评定结论，并以此为依据综合采用增大截面加固法、粘贴钢板加固法和整体式桥面板拓宽技术对大桥的拓宽提载技术进行研究。

1 前进大桥概况

前进大桥位于江西省上饶市信州区境内，横跨丰溪河，连接水南街和三江片区，是上饶市中心城区一座重要的交通枢纽桥梁(见图1)。前进大桥于1984年5月建成通车，全长267.852 m，上部结构为6孔等截面悬链线桁架拱桥;下部构造为扩大基础配重力式桥墩及U形桥台。原设计主拱圈净跨径为40m，净矢跨比为f0/L0=1/8，桥面净宽:净—7+2×1.5 m人行道。原设计荷载等级为:汽车—20级，挂车—100，人群—3.5 kN/m2。

2 桥梁病害及成因分析

2.1 桥面系病害及成因分析

前进大桥的桥面系由桥面铺装、人行道及小空心板组成。

1 )各跨桥面中心线处均存在一条纵向裂缝，裂缝由拱脚处往跨中发展，延伸至距拱脚10 m左右的位置;桥面存在多条横向通长裂缝;2)人行道板表面砂浆沿着人行道板接缝处纵、横向开裂;人行道部分栏杆柱及扶手混凝土脱落、露筋锈蚀。

桥面板由多块小空心板纵、横桥向拼装而成，而原有桥面铺装层较薄弱、配筋较少，极易在空心板间铰缝处产生纵、横向裂缝。

2.2 桁架拱片病害检测及成因分析

大桥桁架拱片的病害主要包括以下几个方面:

部分斜腹杆中点存在环向开裂现象，上弦杆跨中竖向开裂实腹段存在多条竖向裂缝;剪刀撑十字节点连接处存在环向开裂，剪刀撑横梁中点存在环向开裂。

前进大桥为斜拉式桁架拱桥，理论上斜腹杆以承受轴向拉力为主，而实际上斜拉杆与上、下弦杆间为固结，将在节点处产生正、负弯矩，使斜拉杆承受超过混凝土极限强度的拉应力而开裂。

2.3 空心板病害检测与成因分析

全桥空心板局部存在纵横交错的裂缝，造成空心板开裂的主要原因为混凝土标号较低，空心板配筋量不高，局部因混凝土抗拉能力不足产生裂缝。

2.4 桥梁墩、台病害检测及成因分析

桥台主要病害为:桥台前墙存在两条水平裂缝;台帽竖向开裂，且发展至桥台前墙;侧墙存在两条水平裂缝;桥台侧墙存在一条自上而下，与水平线成45°角的剪切裂缝。

桥台混凝土标号较低，且台身较高，前墙局部位置因混凝土抗拉能力不足产生水平裂缝，裂缝进一步发展导致桥台侧墙开裂。

3 大桥现状评定

3.1 大桥技术承载能力评价

应用MIDAS-CIVIL软件对大桥加固前进行结构验算后确定，大桥在考虑了旧桥承载验算相关系数后，大桥在现行规范荷载等级“公路—Ⅰ级”及“城市—A级”的作用下，上弦杆跨中截面、实腹段跨中截面及L/4截面承载力均不满足JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范的要求。因此需要对大桥进行加固提载处理。

3.2 大桥技术状况评估

依据前进大桥检测结果及CJJ 99-2003城市桥梁养护技术规范，综合计算大桥技术状况评定指标BCI=51.38，评估前进大桥目前技术状况等级为D级(不合格状态)，需进行中修。

4 拓宽提载技术研究

根据现场结构检查的病害及有关数据，结合进一步对前进大桥进行结构检算的结果，考虑到前进大桥通行的非机动车较多，而原桥面并未设置非机动车道，常会造成车辆拥堵的现象，因此拟对桥梁采用以下措施进行拓宽提载，具体拓宽提载措施如下。

4.1 桁架拱片及横向联系的拓宽提载

桁架拱片是桁架拱桥的上部主要承重构件，前进大桥的桁架拱片在各上、下弦杆及节点位置存在抗力不足的现象，故考虑在相应位置加强其抵抗荷载的能力;对全桥桁架拱片下弦杆、斜腹杆、直腹杆及实腹段进行外包混凝土加固，其中施工困难位置采用粘贴钢板法加固。具体加固措施如下:

1 )对全桥各跨桁架拱片第一节下弦杆两侧外包10 cm厚C40微膨胀混凝土，上、下缘均外包10 cm～15 cm厚C40微膨胀混凝土;2)对全桥各跨桁架拱片第二节～第四节下弦杆四周外包10 cm厚C40微膨胀混凝土;3)分别对全桥各跨桁架拱片第一根和第二根斜腹杆、直腹杆四周外包10 cm厚C40微膨胀混凝土; 4)对全桥各跨桁架拱片第一节和第二节上弦杆三周外包10 cm厚C40微膨胀混凝土;5)对各跨实腹段三周外包10 cm厚C40微膨胀混凝土;6)各跨桁架拱片间在第一节及第四节下弦杆间增设钢筋混凝土剪刀撑;7)在各跨桁架拱片的第一节～第四节下弦杆节点间增设钢筋混凝土横系梁;8)对各跨原有剪刀撑外包10 cm厚C40微膨胀混凝土;9)对各跨第三根斜腹杆上、下侧粘贴6 mm厚钢板。

4.2 桥面系拓宽提载

前进大桥的原桥面净宽为净—7+2×1.5 m人行道(见图2)，本次拓宽提载桥面净宽拟为9+2×1.5 m人行道。原桥每边人行道挑梁挑出桁架拱片40 cm，而拓宽的宽度每边为100 cm，故将原人行道挑梁每边拓宽100 cm，为加强挑梁的整体性，施工时将人行道挑梁与桥面铺装整体现浇，形成钢筋混凝土整体式桥面板，然后在其上安装轻质的人行道系构件(见图3)。

具体措施如下:1)凿除2 cm厚原整体式桥面板后(保留原有桥面铺装内钢筋)，浇筑钢筋混凝土整体式桥面板;2)凿除原桥台上桥面铺装层并挖除部分台后填土后，浇筑15 cm厚C15贫混凝土垫层，再浇筑28 cm～34.8 cm厚钢筋混凝土整体式桥台面板; 3)在所有墩、台位置对应处设置40型桥面型钢伸缩缝及人行道钢板伸缩缝。

4.3 桥台加固

对两岸桥台前、侧墙三周外包20 cm厚的钢筋混凝土(内置双层钢筋网)。

5 结构验算

本次计算采用桥梁结构计算程序MIDAS-CIVIL建立空间有限单元模型(梁格法)并进行验算分析。取一跨桥梁结构简化成896个节点，1 229个单元。根据前进大桥结构形式、实际状况及受力特点，着重对上弦杆跨中、实腹段L/4及跨中截面、下弦杆拱脚、内(外)直腹杆、内(外)斜腹杆的承载力进行验算。计算时考虑桥面铺装层共同参与作用。算得加固后的前进大桥在“公路—Ⅰ级”荷载作用下，上部结构强度和刚度均能够满足规范规定的承载力要求。

6 施工主要事项

1 )在凿除2 cm厚原有桥面铺装、拆除原有人行道系的过程中，不允许使用大型机械设备，应人工进行凿除或挖除，以免对大桥产生新的损伤(尤其注意不要伤及桁架拱片)。2)对桁架拱片及桥台前、侧墙，以及桥面进行加固均按照凿毛→清洗→植筋→布置钢筋网(或钢筋骨架)→浇筑混凝土的顺序施工。3)对桁架拱片进行外包混凝土加固应由拱脚向拱顶方向浇筑，且务必做到全桥、单跨对称、均衡施工。4)在浇筑伸缩缝预留槽之前应注意做好相应桥面板挑梁的临时支撑，确保施工安全。5)沥青混凝土桥面铺装与加固后形成的整体式桥面板间的防水层应采用二阶反应型防水材料。