水磨大桥加固方案及计算分析
2015-07-13
1 工程概况
水磨大桥位于云南省鲁甸县境内，其为龙树至梭山公路托麻段跨越龙树的一座桥梁，中心桩号K5+035，建于1993 年。该桥是当地交通运输、经济发展和两岸居民生产生活的重要交通要道。桥梁全长68.4m，桥面全宽8.5m，横向布置为0.75m(人行道)+7m(行车道)+0.75m(人行道)。桥梁设计荷载为汽-20，挂-100。
该桥主跨为一孔 40m 的等截面悬链线空腹式石拱桥，拱轴系数m=2.240，矢跨比为1/6，拱圈厚度0.9m，拱圈宽8.5m，采用10 号水泥砂浆砌50 号块石。主拱拱座为25 号混凝土。主拱上部每边设腹拱三孔。每孔腹拱净宽3.0m，厚0.3m，净矢高0.5m，腹孔墩厚0.8m，两端边腹孔为三铰拱。桥面铺装为水泥结砾石路面，抹平层厚0.3m，桥面横坡3%。两侧桥台均采用明挖扩大基础，石砌U型桥台。为了增加泄洪能力，梭山岸桥台增设一孔8.0m 的引桥，为圆弧线实腹式石拱桥，矢跨比为1/3，拱圈厚度0.5m，宽8.5m。采用10 号水泥砂浆砌50 号块石。
水磨大桥建成至今已运营二十多年，现已出现了不同程度的病害。为确保桥梁的安全性、适应性和耐久性，保证桥梁结构运营安全，需对水磨大桥进行详细的技术状况评定，必要的话还需要对该桥进行加固。
2 水磨大桥现状及病害分析[1-2]
2. 1拱圈渗水、局部空洞
拱圈砌缝局部有砂浆脱落和空洞现象，局部渗水泛白；腹拱局部渗水泛白，梭山岸第一个腹拱变形缝有一定程度张开；引孔多处渗水泛白。拱圈渗水的主要原因是路面破损严重，且桥面排水不畅，路面积水下渗到拱上填料，后通过拱圈渗出。
2.2桥面铺装
桥面铺装大面积破损、粗骨料裸露，存在多处大面积坑槽。经分析桥面铺装破损的主要原因是车辆荷载的作用、拱上填料不密实、温度变化及雨水冲刷的影响。
2.3台后填土沉降
该桥龙树岸桥台台后填土存在一定的沉降，搭板局部凹陷。主要原因应是桥台施工时填土不密实，荷载的长期作用下填土逐步压实、沉降。此外搭板破损，路面积水下渗也导致了台后填土的沉降。
2.4路面排水不畅
该桥桥跨范围内护栏附近大量泥土堆积，泄水孔全部堵塞，严重影响了路面的排水，导致坑槽处积水。
3结构计算分析
3.1 计算参数
采用桥梁博士分析软件对该桥进行了计算分析，计算模型的主要参数如表1所示。
表1 结构计算采用的主要参数
构件 材料 弹性模量E（MPa） 抗拉强度fcd（MPa） 抗拉强度ftd（MPa） 容重（kN/m3）
主拱 M10砂浆砌MU50块石 7300 3.85 0.073 24
腹拱 M10砂浆砌MU40块石 7300 3.44 0.073 24
拱上立墙 M7.5砂浆砌MU40块石 5650 3.09 0.073 24
因该桥所处路段，偶尔有重型车辆通过，其由牵引车和挂车组成，车辆全长 18.392m，总重1030KN，因此该桥承载力计算分析时将对设计荷载和上述特殊荷载进行验算。
3.2拱圈的面内稳定与强度
根据各单项荷载组合结果，得出各关键截面的最不利控制荷载组合，正截面受压强度验算结果如表2 所示。
表2 水磨大桥主跨主拱圈关键截面强度计算结果
截面 计算工况 计算内力 正截面强度 抗剪强度
轴力（kN） 弯矩（kN*m） 剪力（kN） 偏心距离值 Nj 结论 Vj 结论
拱脚 最大弯矩 18973.5 619.6 -770.6 e<0.6s 26095.0 P 6827.1 P
最小弯矩 18485.4 -2868.0 332.4 e<0.6s 19535.5 P 6664.4 P
最大轴力 19585.9 -610.5 -578.7 e<0.6s 26131.1 P 7031.3 P
L/4 最大弯矩 16044.9 1396.0 682.7 e<0.6s 23834.1 P 5850.9 P
最小弯矩 16328.6 -437.9 535.3 e<0.6s 26227.8 P 5945.5 P
最大轴力 17030.1 269.3 721.7 e<0.6s 26409.4 P 6179.3 P
拱顶 最大弯矩 16272.4 346.8 91.9 e<0.6s 26330.1 P 5926.8 P
最小弯矩 13953.4 230.9 153.7 e<0.6s 26400.2 P 5153.7 P
最大轴力 16664.4 -543.2 -61.5 e<0.6s 26096.4 P 6057.4 P
注：表中“”表示满足规范要求，“”表示不能满足规范要求。
由上表可知，在最不利荷载组合下，主跨主拱圈拱脚截面在最小弯矩工况下正截面强度不能满足规范要求。经计算分析，引孔拱圈拱脚同样存在强度不足的问题。可见，需对水磨大桥进行加固以满足受力要求。
3.3拱圈横向稳定
《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61-2005）中5.1.4 规定[3]：“当板拱拱圈宽度等于或大于1/20 计算跨径时，混凝土拱可不考虑横向稳定”，水磨大桥的拱圈宽度与计算跨径的比值为0.207>0.05，因此本桥可不考虑横向稳定。
3.加固方案及要点
3.1 主拱圈锚喷混凝土加大截面
由计算分析结果可知，拱脚截面强度不足。因此采用锚喷混凝土加大截面的方式对拱圈进行加固。
1)对主跨主拱圈第一腹孔段拱背进行锚喷加固，厚20cm。对整跨拱腹锚喷10cm混凝土进行加固。锚喷混凝土均采用C40混凝土。
2)增设32cm厚C30混凝土拱座。
3)采用厚10cm的C40混凝土对腹拱进行锚喷加固。对于第一腹拱，喷射混凝土加固层应保留原腹拱圈的铰缝。对于引孔整跨内拱腹锚喷20cm厚C40混凝土加固。同时对全桥拱圈砌缝脱落、空洞处进行修补。
为保证锚喷混凝土加固效果，在正式锚喷前，须在拱圈做锚喷试验，并进行强度拉拔试验，试验需反复进行多次，直至锚喷效果达到设计和规范要求，才能进行拱圈的正式锚喷施工[4]。
3.2桥面铺装更换
对全桥桥面铺装进行更换，新更换桥面铺装采用C40防水混凝土，配置双层钢筋。原桥面铺装凿除时应注意纵桥向对称卸载，不得在桥跨范围内堆载，新更换桥面混凝土的浇筑也应注意对称加载。凿除施工时应严格控制凿除深度，不得过凿，避免损伤拱上侧墙及拱圈。在重新铺装前应对拱上填料适当夯实。施工时应小心谨慎，必要时采取防护措施。
3.3增设伸缩装置
在两侧桥台变形缝处增设TST（改性沥青)弹塑体桥梁伸缩装置。为保证伸缩缝和附近铺装的耐久性，在伸缩缝下方设置C15素混凝土垫层。
3.4更换桥头搭板
更换龙树岸桥台搭板，新浇筑搭板前应对台后填土重新夯实。
对全桥开裂、破损等局部病害进行修补，防止病害进一步发展，影响结构耐久性。
3.5 加固施工顺序
根据结构受力特点和结构构造，该维修加固工程宜按如下顺序施工：
原桥面铺装凿除→→锚喷拱座混凝土→→主拱圈锚喷加固→→腹拱圈锚喷加固→→孔洞等病害和缺陷修补→→更换搭板→→桥面铺装浇筑施工、伸缩装置施工→→其他修补施工。
4. 结论
随着服役时间的增加，石拱桥经常出现桥面铺装破损、主拱圈及腹拱圈渗水泛白等为常见病害，而现有交通量及荷载也在增加，从而导致主拱圈等各主要受力结构出现承载力不足的现象。本文以水磨大桥为工程背景，对该桥进行了病害调查和分析，结构验算结果表明该桥的承载力不能满足现有荷载的要求，提出了使用增大截面法对拱圈等各主要受力结构进行加固，以及伸缩缝其他病害处的相应处理措施，并拟定了详细的加固施工顺序。本文的研究内容及加固可为类似工程加固提供有益的参考。
