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大桥加固设计与受力性能分析
 
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文章来源:加固改造网   添加人:admin   添加时间:2017-11-20 17:16:16

《中国西部科技杂志》2015年第五期 

1桥梁病害原因分析 

(1)主拱线形与设计线形吻合较差。经检测,主拱第一跨和第三跨线形与设计线形存在较小偏差,第二跨主拱线形与设计线形偏差较大,分析认为主要是由施工偏差引起的。(2)主拱拱肋出现混凝土破损、开裂、渗水、露筋、钢筋锈蚀等病害。主拱拱肋为预制拼装结构,接缝多,混凝土龄期有差异,对施工要求高。当拱肋施工质量不高时,出现了较多的蜂窝、麻面、露筋、接缝处渗水等病害,尤其是预制拱肋之间的现浇接缝处,更易由于施工质量的问题出现病害,对结构耐久性不利。经计算,拱肋在原设计荷载下大部分位置满足规范要求,只有少部分位置存在不足;而经检测,原结构具有足够的强度与刚度。因此对拱肋应在不对原结构有较大扰动影响下进行维修加固,提高其强度及耐久性。(3)横向系梁开裂、露筋等病害。拱肋间部分横系梁因为施工质量的缘故,容易出现病害,尤其是在与主拱肋连接处混凝土难以整捣密实,更易出现开裂、露筋、锈蚀等病害。(4)拱上立柱底部水平开裂及蜂窝麻面。部分立柱底部存在的水平裂缝,可能是混凝土施工质量不佳,在地震、温度或车辆冲击作用下产生的。当立柱上部支座失效时,在水平力的作用下,立柱底部容易出现水平裂缝。(5)拱上连续纵梁及垫墙破损、开裂。部分连续梁混凝土存在分布于跨中及立柱顶连续梁承受负弯矩区的裂缝,此类裂缝应为受力裂缝。部分纵梁端支承处混凝土破损严重,存在露筋、锈蚀等现象,主要原因是连续纵梁与实腹段交界处未设置伸缩缝装置,从而跳车现象严重,对梁体的冲击较大,致使连续梁端部混凝土破损。(6)主桥桥面板开裂、渗水。部分桥面板破损严重,存在较多沿桥纵向,分布在两支承范围内的裂缝,大部分桥面板板间铰缝质量较差,混凝土不密实,部分铰缝两侧桥面板局部混凝土脱落,钢筋外露,锈蚀严重以及渗水等现象。裂缝出现原因主要是由于桥面板间的铰缝较弱,剪力传递能力不足,导致在运营荷载作用下桥面板单板受力效应明显而出现裂缝;另外在伸缩缝附近的桥面板因为伸缩缝功能失效,在车辆冲击作用下也容易出现裂缝。(7)主桥墩台开裂、渗水。主桥第一跨与引桥交界墩两拱肋间拱座混凝土存在开裂现象,裂缝宽度约1mm,附近墩身块石存在断裂现象,主要原因可能是地震造成的。主桥第一跨与第二跨间、第二跨与第三跨间桥墩墩帽两侧均存在竖向裂缝,裂缝宽度0.12~0.32mm,部分裂缝宽度已超出限值。主要原因可能是地震或者拱肋径向力的竖向分力造成的,墩顶横向配筋较少,容易在墩中间出现纵桥向裂缝。 

2桥梁加固方案要点 

2.1加固目标对旧桥结构加固主要是根据桥梁在正常使用过程中的力学表现而展开的,结构构件带裂缝工作的状态将“削弱”其使用效能,影响其耐久性。加固措施的首要任务是在恢复原有结构使用功能的基础上,适当提高结构的可靠度与耐久性,因此加固的目标是维持原汽车-20,挂-100的荷载标准,同时应尽可能不增加过多自重,避免对下部结构产生影响。 

2.2加固思路加固的目标是恢复桥梁承载力,维持原桥梁大部分外形和结构总体体系不变,利用现有的拱桥断面尺寸及砼强度,对局部构件承载力适当补强,拱桥的加固改造方法主要有采用增大截面或者粘贴钢板条、贴碳纤维布等。拱脚病害不是很严重,通过方案比较,前两个方案对原结构均有损伤,会改变结构原有受力状况,对结构不利;且结构厚度小,受力复杂,不利于粘贴钢板时锚栓的锚固。另外拱肋经常受到汽车荷载的冲击,容易造成锚栓的松脱;粘贴碳纤维布的方法对原结构无损伤,附加荷载轻,且能有效增加拱脚强度; 

2.3拱桥加固方案 

2.3.1主桥拱肋通过计算,拱肋拱脚和跨中承载能力稍弱,拟对拱脚和跨中粘贴碳纤维布加固。对拱肋表面病害进行维修处理。在拱脚到第二排立柱间的拱脚上缘粘贴3层顺桥向碳纤维布,碳纤维布宽40cm,间距20cm,以提高其抗弯能力;在其接头处粘贴2层环向碳纤维布,环向碳纤维布宽20cm,间距30cm,在作为压条的同时作为抱箍材料,提高拱脚的抗压能力;中间位置则每隔40cm设置一道20cm宽的压条。在拱肋跨中附近梁底粘贴碳纤维布,以提高其抗弯能力,限制梁底裂缝进一步的扩展。具体做法:在拱肋跨中50m范围内,每个拱肋上横桥向粘贴4条碳纤维布,每条碳纤维布3层,每条宽度40cm,间距20cm,碳纤维布在纵桥向每隔2m设置一道压条,在中间和端部加强压条。 

2.3.2拱肋横向系梁部分横系梁存在施工质量问题,对病害进行表面处理即可,以提高结构整体性及耐久性。 

2.3.3拱上立柱对拱上立柱的修复,首先要查看其上部立柱油毛毡支座是否已失效,若失效则应对支座进行修复,恢复其铰接功能;对立柱则采用增大截面或环贴碳纤维布的方式进行加固,当立柱空间适于环贴碳纤维布时粘贴碳纤维布,不适于时则增大立柱截面。 

2.3.4拱上连续纵梁及垫墙经计算,拱上连续纵梁在原设计荷载下承载能力满足规范要求,纵梁出现裂缝可能与超载、汽车冲击力过大有关,因此加固主要针对出现病害的纵梁。重新设置伸缩缝,减小车辆冲击对纵梁、垫墙的影响。对结构的裂缝采用化学灌浆方法,按裂缝宽度分别处理:裂缝≤0.15mm的采用环氧胶表面封闭;裂缝宽>0.15mm进行灌浆处理;对砼表面有缺陷进行修补。 

2.3.5主桥桥面板由于桥面板病害主要出现在伸缩缝附近及铰缝失效较为严重的位置,因此,结合桥面整体化层的维修对桥面板病害进行处理。在凿除原整体化层浇注新的钢纤维整体化层的同时,对铰缝失效较为严重的铰缝也凿除重新浇注。 

3结构受力性能分析 

3.1有限元计算方法及模型结构计算模型、几何特性、边界条件模型同实际结构相一致;结构计算模型反映结构分阶段形成的特点,正确反映各重要工况下的结构特性及荷载状况。由于拱肋裂缝的出现可能造成钢筋的锈蚀,考虑到截面损伤,钢筋锈蚀等造成的影响,对拱肋截面及钢筋截面进行相应的折减。采用桥梁结构分析程序MIDAScivil进行全桥计算分析,建模时将全桥划分为2750个单元,1769个节点。按照实际施工情况,划分为5个施工阶段及1个运营阶段。结构计算模型如图2。 

3.2主桥加固前整体结构的计算由于该桥结构计算资料缺乏,故利用原设计尺寸进行验算,加固前计算采用的是85规范。由表1知,主桥拱肋在承载能力极限状态下拱肋正截面抗弯强度不满足要求,需要对拱肋进行加固,以提高拱的承载能力及刚度。 

3.3主桥加固后整体结构的计算 

3.3.1公路85规范计算加固后结构利用粘贴碳纤维布的方法对拱肋进行加固后,验算其在各种工况下的受力状况,表2为根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)(以下简称公路85规范)计算得到的结果。通过公路85规范计算得出:主桥拱肋结构加固后的承载能力满足规范要求。 

3.3.2公路04规范计算加固后结构利用粘贴碳纤维布的方法对拱肋进行加固后,验算其在各种工况下的受力状况,表3为根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)(以下简称公路04规范)计算得到的结果。通过公路04规范计算得出:主桥拱肋结构加固后的承载能力满足规范要求。 

4结论 

本文以苍溪嘉陵江大桥钢筋混凝土拱桥加固工程为例,对该桥的主拱肋、桥面板、横系梁及拱上立柱等的加固技术进行了系统研究和计算分析,分析计算表明加固后的桥梁各项指标均满足要求。 

作者:刘杰 单位:广州市市政工程设计研究院

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