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進賢北門橋位于進賢縣城區,是通往三陽、梅莊方向的主要橋梁,于1984年竣工通車。北門橋橋面總長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。基礎及下部結構為組合式L形橋臺。(見圖1)橋面寬度為凈-7+2×1·0m。原設計荷載為汽-20,掛-100。


北門橋通車后,在對該橋進行驗收時,部分拱腿拱腳斷面上緣出現裂縫。1987年上海城建學院曾對該橋進行檢測,上述裂縫深達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,對通行車輛采取限載10t通過。2000年,電力部門運輸變壓器的超重平板車要求必須通過北門橋,而此時全橋結構許多部分已出現了開裂甚至局部破壞的現象,其中8處拱腿拱腳處有7處出現嚴重裂縫,裂縫寬度達2~5mm,裂縫幾乎已經貫通整個拱腿截面。

  


1　橋梁現場勘測和病害調查

該橋無竣工資料,所以許多方面只能以原設計資料和現場勘測為依據。通過熟悉原設計部分資料和對北門橋的現場勘測,并參照有關規范[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,裂縫寬度南橋臺為2~5mm,北橋臺為2~3mm。裂縫幾乎貫通全截面,這是本橋的最大病害。

(2)南橋臺八字墻因受土壓力外傾開裂,北橋臺八字墻外傾更加嚴重,以致于連著的橋臺立墻出現全斷面橫向裂縫,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0·2-0·4mm不等的裂縫。

(4)橋面出現0·2-0·5mm不等的裂縫,而且有一定的規律可循。

(5)全橋存在露筋,少數斷面結構尺寸偏小等施工質量問題。

綜上所述, 2000年北門橋的狀況較1987年檢測時相比,結構開裂和損壞范圍增大,裂縫寬度和長度都有所發展,整個結構處于相對松散的狀態,所以將該橋列為危橋是有充分依據的。

2　老橋承載能力確定的技術研究

2·1　剛架拱橋的受力特性和計算模型

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,已在全國大量推廣使用,因其經濟、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,它對基礎有一定的要求,而且全橋的桿件較多且相對零散。

剛架拱的結構特性比較符合結構力學平面桿系的假設,計算結果精度能夠滿足要求。而且平面桿系的計算結果便于與現行規范對照,便于后續加固的配筋設計。因此我們在北門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的概念來考慮空間的荷載效應并與空間計算相印證,橫向分布系數按彈性支承連續梁的簡化計算[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。


由于基礎為組合式橋臺,原設計中水平分力需臺后被動土壓力來平衡,而新填土要達到此種要求,施工上是相當困難的,所以計算中基礎水平位移的取值是重點考慮因素。

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個拱腳有7個出現由上而下的寬裂縫,并非偶然,開裂程度在規范上已屬破壞。所以原設計荷載下的檢算工作必須能夠解釋其中的原因。在原設計的荷載下對受力模型進行多次檢算,并對斷面進行偏壓計算,得到在汽-20+溫降20℃+拱座水平位移D在承載能力極限狀態下的最大組合,其中拱腳斷面的內力如表1。


 


出現危橋現象的組合為汽-20+溫降20℃+水平位移10mm,也即是組合式橋臺在剛架拱橋產生水平推力作用下產生了較大水平位移,拱腳才產生現在的嚴重開裂現象。同時這也與橋臺立墻、八字墻被嚴重擠壞發生大面積開裂的工程事實相符。

在對應的正常使用狀態下,上弦桿的應力狀態已有多處超出容許應力法規范規定的范圍,而且較拱腳斷面更為不利。此時考慮到拱腳已大部開裂,蛻化為鉸,再次計算內力發現,拱腿的彎矩減小,但上弦桿的應力狀態變化不明顯,仍超出規范要求。計算表明北門橋如完全按照原設計圖紙施工,上弦桿的承載力將達不到汽-20等級的荷載要求。原設計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(注:該定型圖為1983年交通部公路科學研究所和湖南設計院聯合編寫)。

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在拱腳上緣、拱頂下緣、大節點與小節點的上緣等地方,其中最不利位置位于上弦桿靠近大節點附近截面的下緣。


橫向方面,微彎板的承載能力在超重車靠中線時行駛的情況下尚可,但無富裕。以當時橋面的開裂破損程度,受力斷面尺寸將有所削弱,應引起足夠重視。基礎方面,由于掛車對基礎影響不大,計算未考慮在內,只能有待于試驗進一步證明。

2·3　檢算的結論

(1)原橋拱腳上緣出現嚴重開裂,并相應造成八字墻斷裂的主要原因是組合式橋臺產生了較大水平位移 (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,但無富裕。

(3)北門橋如完全按照原設計圖紙施工,承載能力將達不到汽-20等級的荷載要求。

(4)北門橋如不進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,全橋將會垮塌。

3　加固設計和施工

3·1　設計方案的確定

老橋承載力的檢算分析結果表明應對老橋進行全面加固。北門橋是一座危橋,所以依靠加固后的永久性橋梁結構來滿足通行重載的要求是一個兩全方案,既加固了危橋,又通行了重載。基于上述原則,考慮到以下細節,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算與設計,計算時無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量。

(2)通過計算可知最不利截面需對應配13Φ22,而每片上弦桿及實腹段的下緣僅寬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、少數斷面結構尺寸偏小等施工質量問題,不打開原截面,將給整個加固工程留下隱患。

(4)增大受力截面和配筋的方法概念明確,而且改造徹底。

(5)受力不大的區域采用環氧樹脂粘貼鋼板打鉚釘法加固,簡便、快速、有效。

3·2　設計與施工要點

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


(1)拱腳上緣

將拱腿的拱腳斷面保護層鑿開,現有裂縫用環氧樹脂填死閉合,將鋼板(鋼板長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)上弦桿及實腹段下緣

主孔:分別鑿開每片上弦桿及實腹段的側面和下緣保護層,露出主筋和箍筋,將箍筋接長,焊上新的箍筋,焊接長度不小于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,采用環氧樹脂粘貼鋼板打鉚釘法加固。實際施工時發現原截面混凝土有部分蜂窩麻面情況,全部采用環氧樹脂封閉加固。

(3)橋面系全面加固

加設橋面鋼筋。除配常規的構造鋼筋外,另加設受力鋼筋,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后才澆筑新橋面混凝土。但實際施工時,發現老橋的橋面板厚度參差不齊,最薄處僅有12cm,距設計板厚22cm相差甚遠,經過結構計算后,變更設計,加厚新橋面10cm。

4　荷載試驗

4·1　主要測試截面及測試內容

根據交通部頒布的試行辦法[2],結合理論檢算的情況,選取測試的主要內容有:

(1)各受力桿件控制截面的應變和應力。

(2)各受力桿件控制截面的撓度及橋臺的水平位移。

(3)各受力桿件的裂縫情況及其寬度值。


4·2　試驗荷載的選擇與加載位置、測點位置的確定

靜載試驗采用等效荷載原則,為安全起見,靜載試驗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,根據計算荷載效率在0·783-0·838之間。

縱向加載位置具體視平面桿系程序計算出的控制截面影響線而定,橫向位置始終居中。測點主要布置在2號、3號拱肋和弦桿相應的控制斷面上。

4·3　荷載試驗的結果與結論

對荷載試驗成果進行整理,得出最不利工況下撓度和應力的評定匯總表,見表2和表3。橋臺水平位移的檢測結果見表4。

試驗前,對各構件存在的肉眼能觀察到裂縫進行觀察和測量,在恒載作用下,在實施加固的截面基本沒有裂縫,僅在3號實腹段和弦桿下緣分別觀察到3條微裂縫。橫隔梁(未進行加固)共觀察到20條裂縫,裂縫寬度在0·08-0·2mm范圍內。

在試驗荷載作用下,所有拱腳均無裂縫出現; 2號拱肋實腹段新增1條裂縫, 2號弦桿新增3條裂縫; 3號實腹段新增3條裂縫, 3號弦桿新增1條裂縫;裂縫寬度均在0·08~0·05mm范圍內,卸載后裂縫寬度基本閉合。橫隔梁新增6條裂縫,且老裂縫有所發展,裂縫寬度在0·08-0·3mm范圍內,卸載后裂縫寬度恢復到原有水平。

靜載試驗結果表明:加固后2號、3號拱肋和弦桿在彈性范圍內工作,橋面基礎在次重車加載的情況下幾乎沒有位移,整體結構剛度和強度都能滿足超重平板車的通行要求.

5　結語

通過此次加固, 160t超重平板車順利通過了北門橋,同時該橋也轉危為安,承載能力得到很大提高,可謂一舉兩得。在對剛架拱橋這樣的復雜受力體系上,擴大受力截面和配筋的加固方案充分顯示了它工期短、費用省、概念明確、改造徹底的優點,具有一定借鑒和推廣價值。另外從整個方案的實施過程我們的體會是:在病害嚴重的橋上通過特種荷載,實施上具有一定的風險性。整個加固過程都必須采取十分慎重的態度,考慮周全,始終把安全放在首位,理論聯系實際,即在設計單位嚴格檢算和周全設計,施工及監理單位按設計意圖精心施工后,還要對加固后橋梁作檢測工作,試通過次重車,作好各項數據的詳細觀測和記錄,取得相應的結構檢測資料,與理論計算相比較,經分析得出安全穩妥的結論后,方能通過重車。