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進(jìn)賢北門橋位于進(jìn)賢縣城區(qū),是通往三陽(yáng)、梅莊方向的主要橋梁,于1984年竣工通車。北門橋橋面總長(zhǎng)55·6m,主孔為1孔凈跨36m的剛架拱,矢跨比為1/6,南北副孔為6·0m的微彎板組合梁。基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)為組合式L形橋臺(tái)。(見圖1)橋面寬度為凈-7+2×1·0m。原設(shè)計(jì)荷載為汽-20,掛-100。


北門橋通車后,在對(duì)該橋進(jìn)行驗(yàn)收時(shí),部分拱腿拱腳斷面上緣出現(xiàn)裂縫。1987年上海城建學(xué)院曾對(duì)該橋進(jìn)行檢測(cè),上述裂縫深達(dá)450mm左右,裂縫寬度為0·6~0·8mm。南昌公路分局將該橋列為危橋,對(duì)通行車輛采取限載10t通過(guò)。2000年,電力部門運(yùn)輸變壓器的超重平板車要求必須通過(guò)北門橋,而此時(shí)全橋結(jié)構(gòu)許多部分已出現(xiàn)了開裂甚至局部破壞的現(xiàn)象,其中8處拱腿拱腳處有7處出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫,裂縫寬度達(dá)2~5mm,裂縫幾乎已經(jīng)貫通整個(gè)拱腿截面。

  


1　橋梁現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和病害調(diào)查

該橋無(wú)竣工資料,所以許多方面只能以原設(shè)計(jì)資料和現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)為依據(jù)。通過(guò)熟悉原設(shè)計(jì)部分資料和對(duì)北門橋的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè),并參照有關(guān)規(guī)范[1,2],全橋的病害綜述如下:

(1)拱腳上緣有7處由上而下的裂縫,裂縫寬度南橋臺(tái)為2~5mm,北橋臺(tái)為2~3mm。裂縫幾乎貫通全截面,這是本橋的最大病害。

(2)南橋臺(tái)八字墻因受土壓力外傾開裂,北橋臺(tái)八字墻外傾更加嚴(yán)重,以致于連著的橋臺(tái)立墻出現(xiàn)全斷面橫向裂縫,裂縫寬度1-3cm。 (3)南北副孔6m微彎板組合梁分別向兩端位移3-4cm,伸縮縫塞死,弦桿之間的橫梁出現(xiàn)0·2-0·4mm不等的裂縫。

(4)橋面出現(xiàn)0·2-0·5mm不等的裂縫,而且有一定的規(guī)律可循。

(5)全橋存在露筋,少數(shù)斷面結(jié)構(gòu)尺寸偏小等施工質(zhì)量問(wèn)題。

綜上所述, 2000年北門橋的狀況較1987年檢測(cè)時(shí)相比,結(jié)構(gòu)開裂和損壞范圍增大,裂縫寬度和長(zhǎng)度都有所發(fā)展,整個(gè)結(jié)構(gòu)處于相對(duì)松散的狀態(tài),所以將該橋列為危橋是有充分依據(jù)的。

2　老橋承載能力確定的技術(shù)研究

2·1　剛架拱橋的受力特性和計(jì)算模型

剛架拱橋是介于剛架橋和拱橋之間的一種橋梁形式,自1979年交通部鑒定后,已在全國(guó)大量推廣使用,因其經(jīng)濟(jì)、美觀、受力合理、施工方便等特性受到大家的歡迎,但同大部分拱橋一樣,它對(duì)基礎(chǔ)有一定的要求,而且全橋的桿件較多且相對(duì)零散。

剛架拱的結(jié)構(gòu)特性比較符合結(jié)構(gòu)力學(xué)平面桿系的假設(shè),計(jì)算結(jié)果精度能夠滿足要求。而且平面桿系的計(jì)算結(jié)果便于與現(xiàn)行規(guī)范對(duì)照,便于后續(xù)加固的配筋設(shè)計(jì)。因此我們?cè)诒遍T橋的承載力檢算中采用平面桿系的有限元程序,近似地用橫向分布系數(shù)的概念來(lái)考慮空間的荷載效應(yīng)并與空間計(jì)算相印證,橫向分布系數(shù)按彈性支承連續(xù)梁的簡(jiǎn)化計(jì)算[3]。北門橋拱腿、斜撐的外部邊界條件為恒載下為鉸,活載下為固定端。


由于基礎(chǔ)為組合式橋臺(tái),原設(shè)計(jì)中水平分力需臺(tái)后被動(dòng)土壓力來(lái)平衡,而新填土要達(dá)到此種要求,施工上是相當(dāng)困難的,所以計(jì)算中基礎(chǔ)水平位移的取值是重點(diǎn)考慮因素。

2·2　老橋承載能力的檢算

拱腳開裂是本橋的最大病害,總共8個(gè)拱腳有7個(gè)出現(xiàn)由上而下的寬裂縫,并非偶然,開裂程度在規(guī)范上已屬破壞。所以原設(shè)計(jì)荷載下的檢算工作必須能夠解釋其中的原因。在原設(shè)計(jì)的荷載下對(duì)受力模型進(jìn)行多次檢算,并對(duì)斷面進(jìn)行偏壓計(jì)算,得到在汽-20+溫降20℃+拱座水平位移D在承載能力極限狀態(tài)下的最大組合,其中拱腳斷面的內(nèi)力如表1。


 


出現(xiàn)危橋現(xiàn)象的組合為汽-20+溫降20℃+水平位移10mm,也即是組合式橋臺(tái)在剛架拱橋產(chǎn)生水平推力作用下產(chǎn)生了較大水平位移,拱腳才產(chǎn)生現(xiàn)在的嚴(yán)重開裂現(xiàn)象。同時(shí)這也與橋臺(tái)立墻、八字墻被嚴(yán)重?cái)D壞發(fā)生大面積開裂的工程事實(shí)相符。

在對(duì)應(yīng)的正常使用狀態(tài)下,上弦桿的應(yīng)力狀態(tài)已有多處超出容許應(yīng)力法規(guī)范規(guī)定的范圍,而且較拱腳斷面更為不利。此時(shí)考慮到拱腳已大部開裂,蛻化為鉸,再次計(jì)算內(nèi)力發(fā)現(xiàn),拱腿的彎矩減小,但上弦桿的應(yīng)力狀態(tài)變化不明顯,仍超出規(guī)范要求。計(jì)算表明北門橋如完全按照原設(shè)計(jì)圖紙施工,上弦桿的承載力將達(dá)不到汽-20等級(jí)的荷載要求。原設(shè)計(jì)圖紙上弦桿下緣配筋量最少的地方只有3Φ18,較同跨徑剛架拱定型圖中的10Φ22相差甚遠(yuǎn)(注:該定型圖為1983年交通部公路科學(xué)研究所和湖南設(shè)計(jì)院聯(lián)合編寫)。

北門橋在超重平板車通行的情況下,上弦桿基本所有的斷面和拱腳拱頂斷面的承載力都不夠。副孔的薄弱位置在跨中下緣,主孔的薄弱位置出現(xiàn)在拱腳上緣、拱頂下緣、大節(jié)點(diǎn)與小節(jié)點(diǎn)的上緣等地方,其中最不利位置位于上弦桿靠近大節(jié)點(diǎn)附近截面的下緣。


橫向方面,微彎板的承載能力在超重車靠中線時(shí)行駛的情況下尚可,但無(wú)富裕。以當(dāng)時(shí)橋面的開裂破損程度,受力斷面尺寸將有所削弱,應(yīng)引起足夠重視。基礎(chǔ)方面,由于掛車對(duì)基礎(chǔ)影響不大,計(jì)算未考慮在內(nèi),只能有待于試驗(yàn)進(jìn)一步證明。

2·3　檢算的結(jié)論

(1)原橋拱腳上緣出現(xiàn)嚴(yán)重開裂,并相應(yīng)造成八字墻斷裂的主要原因是組合式橋臺(tái)產(chǎn)生了較大水平位移 (位移大于10mm)。

(2)橫向橋面微彎板的承載能力在超重車靠中線行駛的情況下尚可,但無(wú)富裕。

(3)北門橋如完全按照原設(shè)計(jì)圖紙施工,承載能力將達(dá)不到汽-20等級(jí)的荷載要求。

(4)北門橋如不進(jìn)行加固就通行超重平板車,上弦桿基本所有的控制斷面和拱腳、拱頂斷面的承載力都不夠,全橋?qū)��?huì)垮塌。

3　加固設(shè)計(jì)和施工

3·1　設(shè)計(jì)方案的確定

老橋承載力的檢算分析結(jié)果表明應(yīng)對(duì)老橋進(jìn)行全面加固。北門橋是一座危橋,所以依靠加固后的永久性橋梁結(jié)構(gòu)來(lái)滿足通行重載的要求是一個(gè)兩全方案,既加固了危橋,又通行了重載。基于上述原則,考慮到以下細(xì)節(jié),加固選擇以增大受力截面和配筋為主的方案。

(1)竣工資料不全影響到加固方案的計(jì)算與設(shè)計(jì),計(jì)算時(shí)無(wú)法知道原截面的配筋量。只有鑿出原有主筋,才能知道需加配的鋼筋數(shù)量。

(2)通過(guò)計(jì)算可知最不利截面需對(duì)應(yīng)配13Φ22,而每片上弦桿及實(shí)腹段的下緣僅寬30cm,所以必須加大受力截面,才能布下這些受力鋼筋。

(3)全橋存在蜂窩麻面、露筋、少數(shù)斷面結(jié)構(gòu)尺寸偏小等施工質(zhì)量問(wèn)題,不打開原截面,將給整個(gè)加固工程留下隱患。

(4)增大受力截面和配筋的方法概念明確,而且改造徹底。

(5)受力不大的區(qū)域采用環(huán)氧樹脂粘貼鋼板打鉚釘法加固,簡(jiǎn)便、快速、有效。

3·2　設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)

計(jì)算可知副孔的薄弱位置在跨中下緣,主孔的薄弱位置出現(xiàn)在拱腳上緣、拱頂下緣、大節(jié)點(diǎn)與小節(jié)點(diǎn)的上緣等地方,其中最不利位置位于上弦桿靠近大節(jié)點(diǎn)附近截面的下緣。依據(jù)不同的受力狀況,分別采用了增大受力截面和配筋法、環(huán)氧樹脂粘貼鋼板法。


(1)拱腳上緣

將拱腿的拱腳斷面保護(hù)層鑿開,現(xiàn)有裂縫用環(huán)氧樹脂填死閉合,將鋼板(鋼板長(zhǎng)2·5m)定位,并使鋼板邊緣與原箍筋焊接,鋼板中部用鉚釘加固。加箍新的箍筋,并焊在鋼板上,綁上主筋形成鋼筋骨架。再用環(huán)氧樹脂填充原混凝土表面和鋼板間的縫隙。然后外包澆筑新的混凝土。

(2)上弦桿及實(shí)腹段下緣

主孔:分別鑿開每片上弦桿及實(shí)腹段的側(cè)面和下緣保護(hù)層,露出主筋和箍筋,將箍筋接長(zhǎng),焊上新的箍筋,焊接長(zhǎng)度不小于10d,綁上主筋形成鋼筋骨架,然后澆筑新的混凝土。靠近支座的弦桿與副孔主梁由于受力不大,采用環(huán)氧樹脂粘貼鋼板打鉚釘法加固。實(shí)際施工時(shí)發(fā)現(xiàn)原截面混凝土有部分蜂窩麻面情況,全部采用環(huán)氧樹脂封閉加固。

(3)橋面系全面加固

加設(shè)橋面鋼筋。除配常規(guī)的構(gòu)造鋼筋外,另加設(shè)受力鋼筋,縱橋向布置起抗拉作用,橫橋向布置以提高微彎橋面板的承載力。施工時(shí)鑿毛橋面露出原橋面鋼筋后,每隔30cm布置鋼筋錨栓,使新老橋面鋼筋都與之焊接,在沖洗干凈充分濕潤(rùn)后才澆筑新橋面混凝土。但實(shí)際施工時(shí),發(fā)現(xiàn)老橋的橋面板厚度參差不齊,最薄處僅有12cm,距設(shè)計(jì)板厚22cm相差甚遠(yuǎn),經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算后,變更設(shè)計(jì),加厚新橋面10cm。

4　荷載試驗(yàn)

4·1　主要測(cè)試截面及測(cè)試內(nèi)容

根據(jù)交通部頒布的試行辦法[2],結(jié)合理論檢算的情況,選取測(cè)試的主要內(nèi)容有:

(1)各受力桿件控制截面的應(yīng)變和應(yīng)力。

(2)各受力桿件控制截面的撓度及橋臺(tái)的水平位移。

(3)各受力桿件的裂縫情況及其寬度值。


4·2　試驗(yàn)荷載的選擇與加載位置、測(cè)點(diǎn)位置的確定

靜載試驗(yàn)采用等效荷載原則,為安全起見,靜載試驗(yàn)荷載控制在超重平板車荷載的80%左右,采用4輛太脫拉型自卸車模擬超重平板車,每輛重車總重300kN,其中前軸重約60kN,后軸重240kN,總加載噸位為1 200kN,根據(jù)計(jì)算荷載效率在0·783-0·838之間。

縱向加載位置具體視平面桿系程序計(jì)算出的控制截面影響線而定,橫向位置始終居中。測(cè)點(diǎn)主要布置在2號(hào)、3號(hào)拱肋和弦桿相應(yīng)的控制斷面上。

4·3　荷載試驗(yàn)的結(jié)果與結(jié)論

對(duì)荷載試驗(yàn)成果進(jìn)行整理,得出最不利工況下?lián)隙群蛻?yīng)力的評(píng)定匯總表,見表2和表3。橋臺(tái)水平位移的檢測(cè)結(jié)果見表4。

試驗(yàn)前,對(duì)各構(gòu)件存在的肉眼能觀察到裂縫進(jìn)行觀察和測(cè)量,在恒載作用下,在實(shí)施加固的截面基本沒有裂縫,僅在3號(hào)實(shí)腹段和弦桿下緣分別觀察到3條微裂縫。橫隔梁(未進(jìn)行加固)共觀察到20條裂縫,裂縫寬度在0·08-0·2mm范圍內(nèi)。

在試驗(yàn)荷載作用下,所有拱腳均無(wú)裂縫出現(xiàn); 2號(hào)拱肋實(shí)腹段新增1條裂縫, 2號(hào)弦桿新增3條裂縫; 3號(hào)實(shí)腹段新增3條裂縫, 3號(hào)弦桿新增1條裂縫;裂縫寬度均在0·08~0·05mm范圍內(nèi),卸載后裂縫寬度基本閉合。橫隔梁新增6條裂縫,且老裂縫有所發(fā)展,裂縫寬度在0·08-0·3mm范圍內(nèi),卸載后裂縫寬度恢復(fù)到原有水平。

靜載試驗(yàn)結(jié)果表明:加固后2號(hào)、3號(hào)拱肋和弦桿在彈性范圍內(nèi)工作,橋面基礎(chǔ)在次重車加載的情況下幾乎沒有位移,整體結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度都能滿足超重平板車的通行要求.

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)此次加固, 160t超重平板車順利通過(guò)了北門橋,同時(shí)該橋也轉(zhuǎn)危為安,承載能力得到很大提高,可謂一舉兩得。在對(duì)剛架拱橋這樣的復(fù)雜受力體系上,擴(kuò)大受力截面和配筋的加固方案充分顯示了它工期短、費(fèi)用省、概念明確、改造徹底的優(yōu)點(diǎn),具有一定借鑒和推廣價(jià)值。另外從整個(gè)方案的實(shí)施過(guò)程我們的體會(huì)是:在病害嚴(yán)重的橋上通過(guò)特種荷載,實(shí)施上具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。整個(gè)加固過(guò)程都必須采取十分慎重的態(tài)度,考慮周全,始終把安全放在首位,理論聯(lián)系實(shí)際,即在設(shè)計(jì)單位嚴(yán)格檢算和周全設(shè)計(jì),施工及監(jiān)理單位按設(shè)計(jì)意圖精心施工后,還要對(duì)加固后橋梁作檢測(cè)工作,試通過(guò)次重車,作好各項(xiàng)數(shù)據(jù)的詳細(xì)觀測(cè)和記錄,取得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)檢測(cè)資料,與理論計(jì)算相比較,經(jīng)分析得出安全穩(wěn)妥的結(jié)論后,方能通過(guò)重車。