双曲拱桥病害原因及加固方法
2015-08-17
一、病害及成因分析
经过现场目测和荷载试验,发现双曲拱桥上部结构的病害较多,主要有:拱肋拱轴线的变形;拱波纵向开裂;拱肋开裂;横系梁开裂或脱落;侧墙鼓胀外倾等。
(一)拱肋拱轴线的变形。其主要表现之一为拱顶处拱肋下沉,该处拱肋底部部分出现多条U型裂缝,开展形式多为由下至上,部分贯通整个拱肋断面,裂缝形式表现为下宽上窄;同时拱顶上部的侧墙底部与拱肋明显脱离,砂浆砌缝已经开裂,部分砂浆已经脱落。这种情况是非常危险的,其产生的主要原因是主拱肋配筋较少。拱肋的承载能力不足所引起的。对于小跨径拱桥而言,活荷载在拱顶处所产生的弯矩作用远大于恒载作用,而其产生的轴力却小于恒载作用,造成部分拱肋偏心距偏大,抗弯承载能力不足。长期以来,车辆荷载等级的不断增加,交通流量的加大,使得拱桥的承载能力储备越来越少,拱轴线逐渐发生了较大变形。如果裂缝处于闭合状态,拱顶裂缝的出现可能是由于短时间内的车流量骤增,或车辆荷载的骤然加大所致,当荷载作用减少时,裂缝自然闭合,尽管如此其荷载作用已经对结构造成破坏,养护部门应该在日常养护过程中加强观测,必要时采取限制通行措施。拱轴线变形的另一种表现为拱肋L/4处发生变形,造成部分腹拱或立墙上拱下挠破坏;一般情况下该处变形较小,但一部分中小拱桥此处存在变形的情况,这种情况多由于桥面局部凸凹不平,重荷载反复冲击,造成拱圈的偏载作用所致。
(二)拱肋。拱肋的横向开裂、拱顶下沉一般同时产生,原因主要有三个方面:一是拱肋截面过小,钢筋含量过少,拱肋的承载能力和抗开裂能力不高;二是拱肋受力的不均匀性,导致单肋受力过大;三是基础下沉及倾斜造成的。拱肋的接头也是病害问题较多的部位,容易出现接头钢板锈蚀、混凝土破碎等现象。拱肋的病害对结构影响较大,影响着桥梁的整体安全,必须认真对待。
(三)横系梁。横系梁开裂或脱落,主要原因是设计尺寸较小,强度和刚度也相应较弱,与横肋联结处的抗剪能力也偏小,当承受较大的外荷载作用时,产生较大的内力和变形,导致横系梁开裂、脱落,无法有效地横向分配荷载,并引起拱肋的受力与变形不均匀,加剧了横系梁的病害产生。
(四)腹拱。横向开裂是常见的病害。从构件材料来说,腹拱圈为素砼:素砼抗弯抗拉能力较差,且一旦开裂裂缝将急剧发展。在20世纪70年代由于片面强调节省钢材。对于腹拱这样的次要构件,含筋率通常较低。腹拱没有设铰,也是其开裂的一个原因。
(五)侧墙鼓胀外倾。双曲拱桥的拱上填料多为二灰渣,密实度较低,且容易积水。受水的长期浸泡,拱上填料会产生体积膨胀,此外,填土在传递荷载过程中,会对侧墙产生一定的侧压力。这些都使得侧墙鼓胀外倾。
(六)桥面系主要病害。主要病害为桥面下沉、栏杆及人行道系破坏等,其主要原因是路面材料选用不当和养护不周而造成的。
(七)下部结构。其病害的主要表现形式有:基础局部冲空;承台竖向开裂或向一侧倾斜;基础下沉等。这类病害在其它型式桥梁中也是常见的。双曲拱桥这种边设计边施工,缺乏系统的设计和施工质量保证体系,因而设计、施工质量普遍低。其基础大部分都是重力式扩大基础或桩基础。重力式扩大基础由于埋置深度较浅,抗洪水冲刷能力弱;采用桩基础时,又是以单排桩居多,人土深度浅,桥墩刚度较小。由桥梁设计计算水平有限,计算工作极为繁琐,全面地考虑各种因素的影响较为困难,计算中通常需进行简化,简化工作一般包括:a,不计部分因素的影响;b,减少计算截面。对于前者不难理解,由于不能全面地考虑各种因素的影响,必然会带来计算结果的误差,当所舍去的因素影响较大时则有可能使计算结果得出错误的结论。
二、加固方法
(一)改变拱上建筑的结构体系:将原拱式腹孔改成梁式腹孔,即撤除腹拱,保留原拱上横墙并将其加高至设计标高,再在横墙上安装预制空心板,两端简支,可达到减轻拱上建筑重量,从而降低主拱圈应力水平的目的,同时替换了原桥严重破损的腹拱。
(二)在主拱圈拱板上面新浇筑拱肋,增大主拱圈截面,改善了主拱圈内的内力分布状况。对于折线形拱板需要先填平沟壑,通过植筋使新旧混凝土更好的结合作用。施工条件允许的情况下,在拱脚附近做变截面处理更合适些。
(三)全桥新增横向联系,也可以增加封闭的横向联系,这样就使得原来简单的多条拱肋变成了一箱多室的截面形式,加强原桥各拱肋间的整体性,改善荷载的横向分布状况。
(四)通常在现有各腹拱墩两外侧(纵桥向)各设置一层钢筋网,并每侧现浇适当厚度的混凝土,以增强现有腹拱墩的整体受力性能和抗弯强度。
(五)早前为了施工方便主拱圈都做成了等截面,但和实际受力情况是有出入的,所以后期加固一般都在拱脚位置植上短筋,浇筑混凝土,加大此部位截面面积。近些年来也有一些学者,尝试着在拱脚位置将原来的无铰拱通过某些工艺做成平铰的形式,释放了拱脚一部分弯矩,使得主拱圈内力得到重分配。
(六)可以采用钢筋和混凝土外包加大原拱肋,以扩大拱肋截面尺寸,增加拱肋断面的含筋率,提高拱肋的抗弯刚度;也有一种加固方法就是粘贴钢板,但受限于拱肋截面,外包混凝土居多,也有学者先将钢板锚固在原有拱肋下面,再浇混凝土。
(七)预推法调整拱脚水平位移,适用情况:由于地基软弱,桥台产生较大水平位移与沉降,导致主拱圈变形的病害。对于桥后填土过大引起的桥台位移,可以在桥台后设置新的桥中墩,通过减载改善桥台的受力。
结论:目前新建桥梁中已取消了双曲拱桥,但对于原有的双曲拱桥,如果采用合适的加固方法,旧桥还是可以服役相当长一段时间的,这主要是基于主拱圈仍具有相当的承载力。对其加固方法,现在看来也是五花八门,但若基于其破坏机理,方法也是可用的。
