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剛架拱橋的加固設(shè)計優(yōu)化研究

2021-01-20 23:20韋運勇
西部交通科技 2021年11期
關(guān)鍵詞:優(yōu)化設(shè)計

韋運勇

摘要:橋梁維修加固是延長橋梁壽命、節(jié)約建造成本的主要途徑。文章以廣西隆安縣右江大橋(4×60 m剛架拱橋)維修加固工程為例,基于橋梁病害現(xiàn)狀,結(jié)合剛架拱橋的受力特點對病害原因進(jìn)行分析探討,有針對性地設(shè)計加固方案,可為類似橋梁工程維修加固提供參考。

關(guān)鍵詞:剛架拱橋;病害檢測;維修加固;優(yōu)化設(shè)計

0 引言

剛架拱橋是由雙曲拱橋結(jié)合斜腿剛構(gòu)特點發(fā)展演變的橋型,其受力特點兼有拱和剛架的特性[1]。剛架拱橋具有更多雙曲拱橋結(jié)構(gòu)特點,其實腹段拱肋和兩側(cè)弦桿、斜撐、拱腿互相剛結(jié),形成整體結(jié)構(gòu)共同抵抗外部荷載,同時拱上建筑不是單純地傳遞荷載,而是參與結(jié)構(gòu)受力,使剛架拱片及其他構(gòu)件尺寸變小,具有施工簡便、節(jié)省材料等優(yōu)點。但由于剛架拱橋構(gòu)件尺寸偏小,受力鋼筋配置一般較少,整體剛度較低。隨著經(jīng)濟飛躍發(fā)展,重型車輛交通量迅速增大,使橋梁超負(fù)荷運行,多數(shù)剛架拱橋容易出現(xiàn)承載能力不足、病害發(fā)展快速等現(xiàn)象,影響了橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,存在較大安全隱患[2-4]。本文依托右江大橋,從病害分析、受力特點和優(yōu)化設(shè)計等方面,對剛架拱橋維修加固進(jìn)行探討,為類似橋梁加固提供建議。

1 橋梁概況

右江大橋于1999年建成通車,橋梁全長292 m,全寬15.60 m,設(shè)計荷載等級為汽車-20級、掛-100。上部結(jié)構(gòu)為4×60 m剛架拱,凈矢跨比均為1/10,下部結(jié)構(gòu)橋墩采用重力式片石混凝土橋墩,橋臺為組合式橋臺。每跨主拱由5條拱片組成,拱片由實腹段拱肋、兩側(cè)弦桿、斜撐、拱腿組成,橋面板由432塊微彎板和216塊懸臂板組成,橫向聯(lián)結(jié)系由32根Ⅰ型大橫系梁和432根Ⅱ型小橫系梁組成。右江大橋橋型布置如圖1所示。

2 橋梁病害

右江大橋橋梁技術(shù)狀況等級評定為4類,已經(jīng)處于一個較差的狀態(tài)。剛架拱片、橫系梁、微彎板、橋臺、橋面鋪裝都存在比較嚴(yán)重的病害。右江大橋主要病害匯總?cè)绫?所示。

3 病害成因

3.1 剛架拱片裂縫、剝落

剛架拱片裂縫和剝落病害多位于拼接處,由于拼接處施工質(zhì)量較差,混凝土澆筑不密實、強度低,與預(yù)制構(gòu)件混凝土粘結(jié)較差。在車載等移動荷載作用下,拼接處混凝土逐漸開裂、剝落。

3.2 橫系梁裂縫、剝落和麻面

右江大橋橫系梁混凝土裂縫、剝落和麻面等病害集中在拼接處。主要原因為:拼接處施工質(zhì)量較差,澆筑不密實,多處麻面,拼接處構(gòu)造偏弱;同時橋跨較大,橫系梁相對較少,整體橫向剛度偏弱。在車載作用下,剛架拱片之間豎向位移不一致導(dǎo)致橫系梁受到剪力作用,微彎板對拱片產(chǎn)生推力,從而使橫系梁受到拉力作用,在剪力與拉力的共同作用下,橫系梁容易在構(gòu)造偏弱的拼接處產(chǎn)生開裂和混凝土剝落現(xiàn)象。

3.3 微彎板裂縫、剝落

微彎板原設(shè)計為搭設(shè)在拱片上,在車載等移動荷載作用下,因橫向聯(lián)系偏弱,導(dǎo)致微彎板兩端發(fā)生水平或豎向位移,使得微彎板邊界位置發(fā)生了附加位移,在板中產(chǎn)生較大的應(yīng)力,同時微彎板最薄處僅6 cm厚,構(gòu)造偏弱,從而產(chǎn)生微彎板裂縫、剝落。

4 優(yōu)化設(shè)計

通過外包混凝土增大剛架拱截面抗力,是剛架拱橋傳統(tǒng)的加固方法。但右江大橋剛架拱片截面面積較小,如圖2所示,拱腿截面尺寸為(95×35)cm,截面面積為0.33 m2,若外包一圈15 cm厚的混凝土,拱腿截面面積為125 cm×65 cm=0.81 m2,截面面積為原來的2.5倍,即采用外包混凝土的加固方式,消耗的混凝土與鋼筋用量是舊橋的1.5倍,材料耗能多,經(jīng)濟效果較差。同時,更值得注意和思考的是,外包混凝土強度未形成前,新增的1.5倍混凝土自重直接由原結(jié)構(gòu)承擔(dān),剛架拱片有可能因負(fù)重過大而產(chǎn)生破壞,危及橋梁安全,施工安全隱患大。因此,改造設(shè)計主要采用粘貼鋼板加固剛架拱片的方式,各部位優(yōu)化設(shè)計如下。

(1)右江大橋拱頂實腹段為彎壓構(gòu)件,以受彎破壞為主,因此在跨中拱頂剛架拱片底面每邊各10 m范圍內(nèi)(正彎矩區(qū))粘貼鋼板(見圖3),有效提高剛架拱片承載力,限制拱頂裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。

(2)外弦桿為受彎構(gòu)件,內(nèi)弦桿受彎的同時還受到一定的軸力作用,橋梁超負(fù)荷運行時,外弦桿梁底更容易產(chǎn)生裂縫。因此,在弦桿梁底粘貼鋼板,提高承載力,限制裂縫發(fā)展。

(3)拱腿為矩形截面,直桿型,向下部結(jié)構(gòu)傳遞了大部分水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力,同時還傳遞較小的彎矩,屬于小-偏小受壓構(gòu)件,是上部結(jié)構(gòu)中極為重要的結(jié)構(gòu)。加固改造使橋梁恒載增加較大,拱腿承載能力需要有較大的提高,因此需要在拱腿上下兩面粘貼鋼板,鋼板可抗拉、抗壓,有效地提高拱腿承載能力;同時增設(shè)環(huán)箍,使混凝土處于三向受壓狀態(tài),提高混凝土的抗壓強度。

(4)斜撐為矩形截面,可以起到減小弦桿彎矩,分流到拱腿軸力的作用,也屬于小-偏小受壓構(gòu)件,主要加固方式與拱腿一致。

(5)大節(jié)點與小節(jié)點處均受到較大的負(fù)彎矩作用,且大節(jié)點處于拱腿與實腹段拼接處,小節(jié)點處于斜撐與弦桿拼接處,雖然拼接處有鋼筋加強,但其性能極易受到施工質(zhì)量的影響。檢測發(fā)現(xiàn)右江大橋剛架拱片裂縫和混凝土剝落多位于大、小節(jié)點的拼接處附近,是由施工質(zhì)量較差所致。大節(jié)點采用U型鋼板固定鋼條的方式加固拼接處,小節(jié)點拼接處可采取延長斜撐鋼板的方式加固。大、小節(jié)點兩側(cè)粘貼鋼板,以抵抗負(fù)彎矩。

(6)右江大橋橫系梁為矩形截面,將各個拱片連接成為一個整體,使各個拱片共同受力,并且增強其橫向穩(wěn)定性,限制拱片的側(cè)向位移。在結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較小時,或者微彎板、橋面鋪裝連接強度較差時,橫系梁會受到較大的拉力。根據(jù)橫系梁病害成因分析,采取增設(shè)鋼橫系梁的方式提高右江大橋的整體性和橫向剛度(見圖4);同時在原混凝土橫系梁拼接處包裹碳纖維布,提高其抗拉能力并限制其裂縫發(fā)展。

(7)微彎板為拱形結(jié)構(gòu),可采用粘貼輕質(zhì)高強的碳纖維布的方式加固微彎板,同時限制裂縫的發(fā)展。該方式幾乎不增加自重,可有效減輕橋梁改造后的自重(見圖5)。

(8)利用Midas Cival有限元軟件,采用梁格法建模,建立空間有限元模型(見圖6),分析橋梁結(jié)構(gòu)的荷載橫向分布特性,對右江大橋進(jìn)行承載能力驗算,以拱頂、拱腳、拱頂L/4(大節(jié)點)及3/8L弦桿正負(fù)彎矩區(qū)為控制截面。表2列出各驗算截面的計算結(jié)果,可見右江大橋橋梁承載能力可滿足“公路-Ⅱ級”荷載等級要求。表3為粘貼鋼板法與增大截面法的加固方案比較,可見本文推薦的粘貼鋼板法可有效較少材料消耗量,節(jié)約加固成本,簡化施工程序,縮短工期。

5 結(jié)語

針對剛架拱橋的構(gòu)件尺寸偏小、整體剛度低的缺點,剛架拱的加固設(shè)計要從其結(jié)構(gòu)原理深入分析,選擇最合理的加固方法,既要保證維修加固后橋梁承載力、耐久性和可靠度滿足規(guī)范要求,還需避免改造施工過程中橋梁構(gòu)件因負(fù)重過大而被破壞。本文基于實際工程對剛架拱橋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,有效地解決了上述問題,可為同類項目的研究、設(shè)計提供參考。

參考文獻(xiàn):

[1]謝慶銘.鋼筋混凝土剛架拱橋加固方法研究[D].南寧:廣西大學(xué),2019.

[2]劉洪瑞,周俊鋒.超載作用下剛架拱橋的病害分析與防治[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003(2):42-45.

[3]吳鑒軍,莫 寧,徐永峰.剛架拱橋的病害原因與加固分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,33(S1):61-63.

[4]齊文廷.混凝土剛架拱橋病害及加固措施淺析[J].北方交通,2013(3):79-82.

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