框架圈梁加固刚架拱桥U型桥台的实践
2015-07-20
钢筋混凝土刚架拱桥在20世纪80、90年代的山区公路上大量修建，该桥型因其外形轻巧美观，质量小、造价低、施工方便和节省材料等优点，相对于当时的交通量及荷载等级，是合理的、适用的。本文根据澧田大桥的结构特点和现状，结合经济、安全等指标进行维修加固改造设计，通过对病害桥台进行圈梁支撑锚固，使其达到应有的承载能力，确保运输安全。
1桥梁概况
吉安县澧田大桥建成于1996年，上部构造采用3孔50米钢筋混凝土刚架拱组成，矢跨比1/8，每个桥跨由3片拱架构成，桥面宽度为：净7.0+2×1.0m人行道；下部构造由两座实体墩和两座U型重力式桥台构成。设计荷载为汽-20级，挂-100，人群荷载3kN/m2，通航标准为六级。
经现场检测，其主体结构刚架拱片未见破损，主桥桥面平整度良好，未见裂缝及破损，但在两端桥台的背墙、侧墙等位置出现了严重裂缝，两桥台的裂缝特点一致，均呈现裂缝宽大，最宽处达30-40mm，且延伸长，存在类似贯通裂缝，桥台侧墙横移。
背墙及侧墙的开裂及汽车冲击力加剧了台后填土的沉陷和横胀，台后路面出现沉陷以及侧墙出现横移。
桥台背墙两侧裂缝与台后填土路面上贯通，并在桥台侧墙不同截面上存在类似裂缝贯通路面，说明台后土压力对桥台侧墙的挤压严重，由于台帽开裂，导致桥面开裂下沉。
2主要病害原因及分析
2.1 主要原因
根据实地病害调查、查阅设计图以及对当时施工情况的了解，产生较大裂缝和位移的主要原因推断如下：
1）台后实际回填土与设计不符
按照当时规范及设计要求，台后填土为砂砾分层夯实，但实际施工中为回填砂土。该台后填土透水性差，并没有设计排水构造。实际施工中靠近背墙填土一般较难压实，导致该处沉陷相对较大。土体在含水情况下，剪切强度降低，土压力进一步增大作用于背墙和侧墙，导致开裂；
2）设计中未设置桥台搭板
搭板构造有利于部分克服台后填土沉陷不均，通过搭板的刚性将汽车轮压力分散铺开于台后较长较宽的土体上，而该桥未设计搭板，在背墙填土相对沉陷较大的情况下，加剧了汽车在桥头跳车对台后填土、背墙、侧墙的冲击压力；
3）有混凝土路面板的施工差错
在路面施工中，曾出现将混凝土刚性路面紧靠桥台之背墙、侧墙浇筑，路面板在升温时将对二者产生较大膨胀挤压。
2.2 其它原因
该桥是在公路桥涵89系列规范基础上设计的，在运营期间的交通发展远超于预期，再加上重型车辆的增加及超载现象严重，造成控制截面承载力不足，致使各构件薄弱面出现裂缝；同时因为大桥桥台背墙、侧墙均设计为素混凝土结构，抗拉能力十分薄弱，这样很容易产生裂缝并不断扩展。
2.3 病害发展预测
根据大桥桥台裂缝的现状：裂缝宽大、背墙两侧裂缝在路面上已经贯通，并向下继续往河心方向发展，即将形成一个破坏面。一旦前墙墙身被裂缝贯穿，极有可能在某次超重车的过桥冲击下，整个上部破裂体沿裂缝面滑落，如图5所示。
该部分结构滑落将会引起严重的链锁反应，一是该滑落体将坠落冲击次拱腿，二是滑落后弦杆段桥面靠桥台端将失去支撑，由连续体系变为悬臂体系，结构受力方式的巨大变化将使靠桥台区域梁段在次拱腿折断坠落，巨大的梁体将砸向次拱腿，导致次拱腿断裂，如图6所示。
一旦次拱腿被落梁损伤甚至折断，整个拱上弦杆段梁体失去支撑，将全部跌落砸下，冲击主拱腿，巨大的梁体如果折断主拱腿，如图7所示，则整座桥梁将无法保存，后果不堪设想。
3加固方案
根据以上病害调查、病因分析及后果预测，为避免灾难性事故发生，澧田大桥的桥台维修加固已迫在眉睫。
3.1加固原则
考虑到工程实际和当地条件，确定加固设计的原则如下：
1） 必须综合满足耗费少、功效快、技术上可行、有较好耐久性的要求， 同时考虑旧桥现状、承载能力减弱的程度以及日后交通量的发展；
2） 桥梁加固工作尽量不更改原结构形式；
3） 增加桥台的整体受力性能，使桥梁不将因为局部破坏而影响整座桥的运营；
4） 将裂缝处的集中力分散开来，防止裂缝继续扩张。
3.2加固方案（圈梁锚固）
加强桥台整体性能，提高抗推能力：
在桥台拱座至前墙顶标高范围内，设计三道U形钢筋混凝土圈梁，圈梁从桥台一边侧墙尾部往前墙延伸，包围前墙墙身后往另一侧桥台侧墙尾部延伸，形成U字形。圈梁重力将通过设计立柱支撑，圈梁和立柱构成整体框架。
设计圈梁主要为承受桥台前墙往河心方向压力，故此压力一部分将由圈梁传至侧墙尾部区域，通过锚固于该区域圈梁数个截面上贯穿桥台两侧墙涂刷防锈漆的螺纹钢筋均匀传至侧墙墙体及台后填土；一部分压力将通过侧墙外圈梁框架体系的抗推刚度承受。
增设桥台搭板
现行规范主张采用更长的桥台搭板，根据该桥梁实际，设计1.0倍台后填土高度长度的钢筋混凝土搭板，搭板采用左右分幅为两块预制，可在短暂限行交通的情况下施工完毕。
裂缝修补
裂缝修补采用化学灌浆法，把按一定比例配制的环氧树脂（砂）浆，通过喷浆机按一定压力灌入结构物缝隙内，起到填塞裂缝、避免钢筋锈蚀并提高结构整体强度的作用，灌浆后做表面处理。通过改善灌浆材料，可灌入0.3mm或更细小些的裂缝，施工机械简单，操作简便。
4结语
此加固方法对结构无损伤，造价不高，且中断交通时间不长，可有效提高桥梁安全性能。该桥加固实施通车一年来，通过定期检查，已恢复到原有正常使用功能。作为管理部门，应加强公路桥梁的管理，并对病害桥梁进行维修和加固，使其处于正常的工作状态，确保公路运输的安全。
