框架圈梁加固剛架拱橋U型橋臺的實踐
2015-07-20
鋼筋混凝土剛架拱橋在20世紀80、90年代的山區(qū)公路上大量修建，該橋型因其外形輕巧美觀，質量小、造價低、施工方便和節(jié)省材料等優(yōu)點，相對于當時的交通量及荷載等級，是合理的、適用的。本文根據(jù)澧田大橋的結構特點和現(xiàn)狀，結合經(jīng)濟、安全等指標進行維修加固改造設計，通過對病害橋臺進行圈梁支撐錨固，使其達到應有的承載能力，確保運輸安全。
1橋梁概況
吉安縣澧田大橋建成于1996年，上部構造采用3孔50米鋼筋混凝土剛架拱組成，矢跨比1/8，每個橋跨由3片拱架構成，橋面寬度為：凈7.0+2×1.0m人行道；下部構造由兩座實體墩和兩座U型重力式橋臺構成。設計荷載為汽-20級，掛-100，人群荷載3kN/m2，通航標準為六級。
經(jīng)現(xiàn)場檢測，其主體結構剛架拱片未見破損，主橋橋面平整度良好，未見裂縫及破損，但在兩端橋臺的背墻、側墻等位置出現(xiàn)了嚴重裂縫，兩橋臺的裂縫特點一致，均呈現(xiàn)裂縫寬大，最寬處達30-40mm，且延伸長，存在類似貫通裂縫，橋臺側墻橫移。
背墻及側墻的開裂及汽車沖擊力加劇了臺后填土的沉陷和橫脹，臺后路面出現(xiàn)沉陷以及側墻出現(xiàn)橫移。
橋臺背墻兩側裂縫與臺后填土路面上貫通，并在橋臺側墻不同截面上存在類似裂縫貫通路面，說明臺后土壓力對橋臺側墻的擠壓嚴重，由于臺帽開裂，導致橋面開裂下沉。
2主要病害原因及分析
2.1 主要原因
根據(jù)實地病害調查、查閱設計圖以及對當時施工情況的了解，產(chǎn)生較大裂縫和位移的主要原因推斷如下：
1）臺后實際回填土與設計不符
按照當時規(guī)范及設計要求，臺后填土為砂礫分層夯實，但實際施工中為回填砂土。該臺后填土透水性差，并沒有設計排水構造。實際施工中靠近背墻填土一般較難壓實，導致該處沉陷相對較大。土體在含水情況下，剪切強度降低，土壓力進一步增大作用于背墻和側墻，導致開裂；
2）設計中未設置橋臺搭板
搭板構造有利于部分克服臺后填土沉陷不均，通過搭板的剛性將汽車輪壓力分散鋪開于臺后較長較寬的土體上，而該橋未設計搭板，在背墻填土相對沉陷較大的情況下，加劇了汽車在橋頭跳車對臺后填土、背墻、側墻的沖擊壓力；
3）有混凝土路面板的施工差錯
在路面施工中，曾出現(xiàn)將混凝土剛性路面緊靠橋臺之背墻、側墻澆筑，路面板在升溫時將對二者產(chǎn)生較大膨脹擠壓。
2.2 其它原因
該橋是在公路橋涵89系列規(guī)范基礎上設計的，在運營期間的交通發(fā)展遠超于預期，再加上重型車輛的增加及超載現(xiàn)象嚴重，造成控制截面承載力不足，致使各構件薄弱面出現(xiàn)裂縫；同時因為大橋橋臺背墻、側墻均設計為素混凝土結構，抗拉能力十分薄弱，這樣很容易產(chǎn)生裂縫并不斷擴展。
2.3 病害發(fā)展預測
根據(jù)大橋橋臺裂縫的現(xiàn)狀：裂縫寬大、背墻兩側裂縫在路面上已經(jīng)貫通，并向下繼續(xù)往河心方向發(fā)展，即將形成一個破壞面。一旦前墻墻身被裂縫貫穿，極有可能在某次超重車的過橋沖擊下，整個上部破裂體沿裂縫面滑落，如圖5所示。
該部分結構滑落將會引起嚴重的鏈鎖反應，一是該滑落體將墜落沖擊次拱腿，二是滑落后弦桿段橋面靠橋臺端將失去支撐，由連續(xù)體系變?yōu)閼冶垠w系，結構受力方式的巨大變化將使靠橋臺區(qū)域梁段在次拱腿折斷墜落，巨大的梁體將砸向次拱腿，導致次拱腿斷裂，如圖6所示。
一旦次拱腿被落梁損傷甚至折斷，整個拱上弦桿段梁體失去支撐，將全部跌落砸下，沖擊主拱腿，巨大的梁體如果折斷主拱腿，如圖7所示，則整座橋梁將無法保存，后果不堪設想。
3加固方案
根據(jù)以上病害調查、病因分析及后果預測，為避免災難性事故發(fā)生，澧田大橋的橋臺維修加固已迫在眉睫。
3.1加固原則
考慮到工程實際和當?shù)貤l件，確定加固設計的原則如下：
1） 必須綜合滿足耗費少、功效快、技術上可行、有較好耐久性的要求， 同時考慮舊橋現(xiàn)狀、承載能力減弱的程度以及日后交通量的發(fā)展；
2） 橋梁加固工作盡量不更改原結構形式；
3） 增加橋臺的整體受力性能，使橋梁不將因為局部破壞而影響整座橋的運營；
4） 將裂縫處的集中力分散開來，防止裂縫繼續(xù)擴張。
3.2加固方案（圈梁錨固）
加強橋臺整體性能，提高抗推能力：
在橋臺拱座至前墻頂標高范圍內(nèi)，設計三道U形鋼筋混凝土圈梁，圈梁從橋臺一邊側墻尾部往前墻延伸，包圍前墻墻身后往另一側橋臺側墻尾部延伸，形成U字形。圈梁重力將通過設計立柱支撐，圈梁和立柱構成整體框架。
設計圈梁主要為承受橋臺前墻往河心方向壓力，故此壓力一部分將由圈梁傳至側墻尾部區(qū)域，通過錨固于該區(qū)域圈梁數(shù)個截面上貫穿橋臺兩側墻涂刷防銹漆的螺紋鋼筋均勻傳至側墻墻體及臺后填土；一部分壓力將通過側墻外圈梁框架體系的抗推剛度承受。
增設橋臺搭板
現(xiàn)行規(guī)范主張采用更長的橋臺搭板，根據(jù)該橋梁實際，設計1.0倍臺后填土高度長度的鋼筋混凝土搭板，搭板采用左右分幅為兩塊預制，可在短暫限行交通的情況下施工完畢。
裂縫修補
裂縫修補采用化學灌漿法，把按一定比例配制的環(huán)氧樹脂（砂）漿，通過噴漿機按一定壓力灌入結構物縫隙內(nèi)，起到填塞裂縫、避免鋼筋銹蝕并提高結構整體強度的作用，灌漿后做表面處理。通過改善灌漿材料，可灌入0.3mm或更細小些的裂縫，施工機械簡單，操作簡便。
4結語
此加固方法對結構無損傷，造價不高，且中斷交通時間不長，可有效提高橋梁安全性能。該橋加固實施通車一年來，通過定期檢查，已恢復到原有正常使用功能。作為管理部門，應加強公路橋梁的管理，并對病害橋梁進行維修和加固，使其處于正常的工作狀態(tài)，確保公路運輸?shù)陌踩?br />
