大跨径U形肋双曲拱的加固方案与对策
大跨径U形肋双曲拱的加固方案与对策谌润水
[江西省交通科学技术研究所330038]
【摘要】BANNED南河大桥主桥为3孔80米U形肋双曲拱桥，该桥业已存在多种病害，并已危及大桥的安全营运。本文详述了大桥的病害及鉴定性静载试验结果，进而针对性地进行加固对策研究，并介绍了最后选定的加固设计。
【关键词】大跨径U形肋双曲拱加固
1前言
1.1大桥工程概况
南河大桥位于江西省BANNED市区，于1987年11月开工，1990年12月竣工。南河大桥全长320.3m，桥面总宽为16.50m：12.0m（行车道）＋2×2.0m（人行道）。上部构造：主孔为3孔净跨80m，等截面悬链线U形肋双曲拱，拱轴系数：M＝2.814，矢跨比：f/L＝1/10。副孔为北引桥2孔、南引桥3孔共5孔跨径13m简支槽梁。下部构造：主孔为重力式桥墩，U形桥台，副孔为灌注桩基础。设计荷载：汽车－20，挂车－100，人群荷载3.5kN/m2，管线荷载2 ×1.5 kN/m。具体布置见南河大桥加固总体布置图。（图1）
图见附件
图1南河大桥加固总体布置图
1.2大桥现状情况
南河大桥是连接BANNED市区与水南开发区的重要通道，交通量大，在营运中先后两次出现质量事故。
1993年8月19日和8月26日，大桥南北两岸下游的人行道先后两次发生塌落事故，塌落总长51m。事故发生后，组成调查小组专门对此事进行了现场调查，得出了事故结论。1994年1月－6月除对南河大桥已经塌落的人行道悬臂梁、人行道板全面修复之外，对未塌落的人行道悬臂梁也进行了加固处理，更换了全桥人行道栏杆。
1998年4月，南河大桥3＃墩伸缩缝往南6m处桥面出现混凝土碎裂、隆起、露筋现象，桥面下简支槽梁和微弯板均出现较为严重的裂缝。此后，4＃墩伸缩缝处一块桥面微弯板碎裂，桥面出现了孔洞，槽梁端头混凝土碎裂，钢筋全部外露。1998年对已经破坏的槽梁和微弯板进行了修复，并更换了全桥伸缩缝。
1.3大桥结构检查和病害调查
通过对大桥观察测量和病害调查，参照有关规范和办法，对南河大桥测量的数据和病害调查的资料进行整理和分析如下：
①在主拱范围内，车辆通过时，有明显的振感。
②主拱三孔拱脚实测高程值(主孔第一孔3#墩拱脚为实测高程原点)与设计值的差值，南北桥台相差在100mm左右，主要是5#台1#肋相差比较大，结合拱脚上缘和5#台台身竖向两处裂缝开展情况综合分析， 5#台曾产生过不均匀沉降。
③主拱第三孔拱轴线实测值与设计值的差值，拱顶截面下挠在55mm～67mm范围内， L/4截面1#肋下挠23mm ，3L/4截面下挠在31mm～66mm范围内。
④全桥结构多处存在裂缝和破坏，对照《公路旧桥承能力鉴定方法》中表3.1裂缝限值表，主要有0#、8#台台身竖向裂缝、主孔L/4、3L/4位置处腹孔立墙普遍存在竖向裂缝，裂缝宽度超过“允许最大裂缝宽度0.3mm”的要求；5#台台身裂缝长度超过“不允许贯通墩台身截面一半”的要求；全桥人行道板下悬臂微弯板与悬臂梁搭接处绝大部分断裂。
⑤北引桥第二跨6片槽梁和部分微弯板，距离1#墩0.5～0.8 m横截面上存在0.1mm～0.2mm裂缝，经综合分析，裂缝产生是因1#墩由原设计的后倾式独立前墙桥台变更为桥墩，并取消了台后填土，从而产生附加偏心弯矩所至。
⑥微弯板与主拱肋、微弯板与槽梁搭接处，按设计要求搭接宽度为1cm，因不宜凿开观察与判别实际搭接质量情况，但全桥搭接处比较多地存在局部裂缝和破碎情况。
⑦全桥桥面系虽经过二次修复和加固处理，仍存在较多裂缝，人行道板全桥亦普遍存在纵向裂缝，表明加固处理后人行道悬臂挑梁的截面刚度仍然不足。行车道横向裂缝大部分发生在槽梁伸缩缝处，主要为结构反射裂缝。
⑧全桥在施工缝处理、墩台与墩帽、墩帽与墩身的竖向连接方面存在问题较多，存在施工缝开裂和错位，全桥砼表面麻面、蜂窝、露筋，以及主拱拱肋跑模等施工质量问题。
2大桥鉴定性静载试验
2.1试验过程
2.1.1试验段的选择
根据南河大桥现场察看和全桥病害现状，静载结构试验段选择主孔第三跨、副孔北引桥第二跨、南引桥第三跨，共三跨为试验段。
2.1.2静载试验加载车辆和荷载效率
本次试验采用6辆20吨左右的改装东风汽车为试验荷载。试验荷载在设计控制截面内力影响线上布载，测试出各控制截面在试验荷载作用下的最大内力值，与设计荷载汽车-20级作用下的各控制截面的内力值的比值。
2.2静载试验结论
采用设计荷载汽车－20级为试验控制荷载。试验荷载效率：拱脚截面已达到98.7%，拱顶截面达到67.5%。副孔跨中达到78.0%。
主孔拱顶挠度校验系数η2在0.772～0.901范围内；副孔跨中挠度校验系数η2在0.606～0.684范围内；满足《试验方法》中校验系数 0.6＜η2≤1.1的要求。
实测残余挠度值与实测挠度值的比值在0.011～0.142之间；满足《试验方法》中评定值Sdy＜0.25的要求。
在试验过程中，对重点部位裂缝出现和扩展的状态进行观察。在试验荷载作用下，拱顶截面未发现肉眼能见的裂缝。5#台拱脚上缘拱背原有的裂缝，未发现肉眼能见的增宽和发展。
通过静载试验和对试验结果进行分析，表明南河大桥主要结构在试验荷载作用下均处在弹性工作范围内。但南河大桥的主桥拱圈的拱脚截面在设计荷载作用下结构验算时偏心距过大，正截面强度也不够。由于拱桥的拱上建筑的联合作用，使得在拱脚处拱背面产生的横向裂缝宽度均未超过规范容许值，但其主拱圈的拱脚截面是客观存在的薄弱结构之一；并且拱上其它结构和副孔均不同程度存在多种病害和缺陷及施工质量问题。
因此，南河大桥主孔在实际营运阶段，在设计荷载汽-20，挂-100的作用下，整体结构承载能力安全储备不足。
3加固方案与对策研究
3.1大修加固原则
根据南河大桥业已查明的病害和存在的缺陷，在原设计标准的基础上，针对南河大桥现有病害进行处理与维修和缺陷补强，使之达到设计要求。同时，根据委托方的“限价设计”原则（我国工程界亦将要推行此原则），以及为方便施工并确保大修加固的工程质量，本设计对原大修加固方案中局部加固措施进行了调整，还采用了新材料——碳纤维布对净高受限制的引桥槽形梁进行补强和加固等。
3.2大修加固方案比选
南河大桥由南、北付孔和3孔净跨80米主桥组成，以下分别针对不同结构部位的病害和缺陷提出两套大修加固方案供比选。
第一方案
一、北岸付孔（共两跨）
1、1#中墩拆除重建；
2、拆除两孔共十二片槽梁，更换成跨径为13m的空心板，更换支座；
3、现浇桥面铺装，加强悬臂梁；
4、恢复安装人行道、栏杆、灯柱和自来水管等；
5、恢复泄水孔、伸缩缝。
大修加固理由:
1、1#墩由原设计的后倾式独立前墙桥台变更为桥墩，取消了台后填土，从而产生附加偏心弯矩，致使北岸付孔第二跨6片槽梁和部分微弯板靠近1#墩产生横向裂缝；
2、各槽梁间横向联系较弱，人行道悬臂梁抗弯和抗倾覆能力较差，通过重浇钢筋砼桥面予以综合处理和加强。
二、南岸付孔（共三跨）
1、8#桥台重建；
2、拆除三孔共十八片槽梁，更换成跨径13m的空心板，更换支座；
3、现浇桥面铺装，加强悬臂梁；
4、恢复安装人行道、栏杆、灯柱和自来水管等；
5、恢复泄水孔、伸缩缝
大修加固理由:
1、8#桥台横向开裂并错位，应拆除重建；
2、各槽梁间横向联系较弱，人行道悬臂梁抗弯和抗倾覆能力较差，通过重浇钢筋砼桥面予以综合处理和加强。
三、主桥（共三孔，逐孔施工）
1、主拱圈加固补强：
①拱圈底面锚喷砼（厚6cm），加高横隔板；
②拱脚（两孔腹孔）顶面现浇厚10cm钢筋砼层（外掺纤维网纤维）；
2、拆除明、暗腹孔的槽梁，更换成同跨径的现浇钢筋整体式桥面板；
3、现浇桥面铺装，加强悬臂梁；
4、恢复安装人行道、栏杆、灯柱和自来水管等；
5、恢复泄水孔、伸缩缝。
大修加固理由:
1、主拱圈在设计荷载作用下，拱脚截面的偏心距超过容许值，正截面强度亦不够，应予加大截面；
2、主拱圈整体刚度较差，横向联系不强，致使车辆通过有明显振感，考虑通过锚喷砼加固拱腹面和加高横隔板予以加强，使之达到使用要求；
3、各槽梁间横向联系较弱，人行道悬臂梁抗弯和抗倾覆能力较差，通过重浇钢筋砼桥面予以综合处理和加强。
大修加固费用估算：4891932元
第二方案(推荐方案)
一、北岸付孔（共两跨）
1、1#中墩加厚，纠正偏心；
2、清理或更换墩、台上支座和伸缩缝；
3、修补槽梁裂缝，视情况加强或增设槽梁间横向联系；
4、凿除并重浇纤维砼桥面铺装，内设钢筋网，并加宽至人行道π型梁内纵梁底部；人行道悬臂梁顶面亦增设和桥面铺装钢筋网相联的横向钢筋，并现浇砼（30#）；
5、施工中暴露的病害处理；
6、恢复安装人行道、栏杆、灯柱、自来水管等；
7、恢复泄水孔、伸缩缝
二、南岸付孔（共三跨）
1、8#桥台重建；
2、清理或更换墩、台上支座和伸缩缝；
3、修补槽梁裂缝，视情况加强或增设槽梁间横向联系；
4、凿除并重浇纤维砼桥面铺装，内设钢筋网，并加宽至人行道π型梁内纵梁底部；人行道悬臂梁顶面亦增设和桥面铺装钢筋网相联的横向钢筋，并现浇砼（30#）；
5、施工中暴露的病害处理；
6、恢复安装人行道、栏杆、灯柱、自来水管等；
7、恢复泄水孔、伸缩缝。大修加固费用估算：
三、主桥（共三孔，逐孔施工）
1、主拱圈加固补强：
①拱圈底面锚喷砼（厚6cm），加高横隔板；
②拱脚（两孔腹孔）顶面现浇厚10cm钢筋砼层（外掺纤维网纤维）；
2、清理或更换墩、台上支座和伸缩缝；
3、修补槽梁裂缝，视情况加强或增设槽梁间横向联系；
4、凿除原桥面铺装，拆除原钢筋网；重新布设钢筋网，横向伸至人行道π型梁内纵梁底部和悬臂梁顶面外缘，现浇30#纤维网纤维砼桥面铺装；
5、施工中暴露的病害处理；
6、恢复安装人行道、栏杆、灯柱、自来水管等；
7、恢复泄水孔、伸缩缝。
大修加固费用估算：2519980元
推荐第二方案理由：本方案充分考虑利用原桥和部位结构进行加固补强，大修加固费用较省，因施工而中断或影响交通较少，大修加固后能够达到和满足原设计荷载：汽车—20级、挂车—100、人群3.5KN/m2的要求。
3.3大修对策与加固设计要点
3.3.1 主孔
①主拱圈加固
由于拱圈拱脚截面在设计荷载作用下偏心距超过设计容许值，正截面强度亦不够，主拱圈整体刚度差，横向联系不强，致使车辆通行时有明显振感。经多年使用，出现较多病害，针对此种情况，在加固设计时对主拱圈采取多种加固措施：
a. 对主拱圈的U形肋底部及U形肋之间的微弯板底部锚固钢筋网后喷射砼，以增大主拱圈截面和横向联系，使之达到增大主拱圈抗弯拉能力的目的。
b. 加高U形肋之间横隔板，以加大主拱圈之间的横向联系，使主拱圈整体受力性能提高。
c. 在拱脚背部固定一层钢筋网，并浇筑10cm厚砼，增大主拱圈拱脚截面积，以提高抗负弯矩能力。
②拱上腹孔
由于各槽形梁间横向联系较弱，拟对拱上腹孔槽形梁之间的微弯板和悬臂板底部锚固一层钢筋网，并锚喷4cm厚砼，以增强微弯板和悬臂板的抗弯性能和槽形梁的整体联系。
3.3.2引桥
引桥由北岸2孔、南岸3孔共5孔13米简支槽形梁组成，由于北岸引桥下现为沿江路，因而桥下净高受限制，南岸引桥下亦考虑要修建沿江路。引桥主要承重结构为槽形梁及其间的微弯板，根据梁式桥的受力特点和现状，主要采取以下措施进行加固：
①在槽形梁底部粘贴一层碳纤维布，增强槽形梁的抗弯拉性能。
②在微弯板和悬臂板底部锚固一层钢筋网，并锚喷4cm厚砼，增大微弯板和悬臂板的抗弯拉能力和槽形梁的整体受力性能。
③五孔引桥的支座全部更换为橡胶板支座。
3.3.3下部构造
原1#桥墩由于偏心受压较严重，已产生多处纵横向裂缝；8#桥台横向开裂并错位。为了提高大桥的全桥使用性能，对1#、7#墩及8#桥台全部拆除，并重建。
3.3.4桥面构造
桥面是桥梁的直接受力结构，它的质量好坏和性能影响着整个桥梁的受力性能。所以，将原桥面铺装层凿除（5cm厚砼和2cm厚沥青），在其上重新浇筑10cm厚钢筋砼桥面（每立方米砼掺80公斤钢纤维），以加强桥梁的横向整体性，使桥梁全宽共同受力。
3.3.5人行道及悬臂挑梁
由于原人行道悬臂梁和自来水管挑梁的抗弯与抗倾覆能力较差，拟在人行道悬臂梁和自来水管挑梁上全长范围内加铺一层钢筋网，在其上浇筑5cm厚钢纤维砼，并通过和桥面铺装钢筋及砼桥面联系，以增强悬臂梁和自来水管挑梁的抗弯拉和抗倾覆能力。
3.3.6伸缩缝、泄水管
在主孔桥墩、主副孔过渡墩中心及桥台上分别设置80和40型伸缩缝。 这样的桥拆除得多少钱？ 正需要，下来参考一下 谢谢楼主
我现在正在做这方面 现在的旧桥加固很多和新建相比是没有经济优势的，但为了减小社会压力影响，很难决策拆除重建，困惑。 楼主,我支持!请多发一些旧桥加固的资料 类似资料加固书籍以及论文中有很多．
非常感谢
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