进贤北门桥位于进贤县城区,是通往三阳、梅庄方向的主要桥梁,于1984年竣工通车。北门桥桥面总长55·6m,主孔为1孔净跨36m的刚架拱,矢跨比为1/6,南北副孔为6·0m的微弯板组合梁。基础及下部结构为组合式L形桥台。(见图1)桥面宽度为净-7+2×1·0m。原设计荷载为汽-20,挂-100。


北门桥通车后,在对该桥进行验收时,部分拱腿拱脚断面上缘出现裂缝。1987年上海城建学院曾对该桥进行检测,上述裂缝深达450mm左右,裂缝宽度为0·6~0·8mm。南昌公路分局将该桥列为危桥,对通行车辆采取限载10t通过。2000年,电力部门运输变压器的超重平板车要求必须通过北门桥,而此时全桥结构许多部分已出现了开裂甚至局部破坏的现象,其中8处拱腿拱脚处有7处出现严重裂缝,裂缝宽度达2~5mm,裂缝几乎已经贯通整个拱腿截面。

  


1　桥梁现场勘测和病害调查

该桥无竣工资料,所以许多方面只能以原设计资料和现场勘测为依据。通过熟悉原设计部分资料和对北门桥的现场勘测,并参照有关规范[1,2],全桥的病害综述如下:

(1)拱脚上缘有7处由上而下的裂缝,裂缝宽度南桥台为2~5mm,北桥台为2~3mm。裂缝几乎贯通全截面,这是本桥的最大病害。

(2)南桥台八字墙因受土压力外倾开裂,北桥台八字墙外倾更加严重,以致于连着的桥台立墙出现全断面横向裂缝,裂缝宽度1-3cm。 (3)南北副孔6m微弯板组合梁分别向两端位移3-4cm,伸缩缝塞死,弦杆之间的横梁出现0·2-0·4mm不等的裂缝。

(4)桥面出现0·2-0·5mm不等的裂缝,而且有一定的规律可循。

(5)全桥存在露筋,少数断面结构尺寸偏小等施工质量问题。

综上所述, 2000年北门桥的状况较1987年检测时相比,结构开裂和损坏范围增大,裂缝宽度和长度都有所发展,整个结构处于相对松散的状态,所以将该桥列为危桥是有充分依据的。

2　老桥承载能力确定的技术研究

2·1　刚架拱桥的受力特性和计算模型

刚架拱桥是介于刚架桥和拱桥之间的一种桥梁形式,自1979年交通部鉴定后,已在全国大量推广使用,因其经济、美观、受力合理、施工方便等特性受到大家的欢迎,但同大部分拱桥一样,它对基础有一定的要求,而且全桥的杆件较多且相对零散。

刚架拱的结构特性比较符合结构力学平面杆系的假设,计算结果精度能够满足要求。而且平面杆系的计算结果便于与现行规范对照,便于后续加固的配筋设计。因此我们在北门桥的承载力检算中采用平面杆系的有限元程序,近似地用横向分布系数的概念来考虑空间的荷载效应并与空间计算相印证,横向分布系数按弹性支承连续梁的简化计算[3]。北门桥拱腿、斜撑的外部边界条件为恒载下为铰,活载下为固定端。


由于基础为组合式桥台,原设计中水平分力需台后被动土压力来平衡,而新填土要达到此种要求,施工上是相当困难的,所以计算中基础水平位移的取值是重点考虑因素。

2·2　老桥承载能力的检算

拱脚开裂是本桥的最大病害,总共8个拱脚有7个出现由上而下的宽裂缝,并非偶然,开裂程度在规范上已属破坏。所以原设计荷载下的检算工作必须能够解释其中的原因。在原设计的荷载下对受力模型进行多次检算,并对断面进行偏压计算,得到在汽-20+温降20℃+拱座水平位移D在承载能力极限状态下的最大组合,其中拱脚断面的内力如表1。


 


出现危桥现象的组合为汽-20+温降20℃+水平位移10mm,也即是组合式桥台在刚架拱桥产生水平推力作用下产生了较大水平位移,拱脚才产生现在的严重开裂现象。同时这也与桥台立墙、八字墙被严重挤坏发生大面积开裂的工程事实相符。

在对应的正常使用状态下,上弦杆的应力状态已有多处超出容许应力法规范规定的范围,而且较拱脚断面更为不利。此时考虑到拱脚已大部开裂,蜕化为铰,再次计算内力发现,拱腿的弯矩减小,但上弦杆的应力状态变化不明显,仍超出规范要求。计算表明北门桥如完全按照原设计图纸施工,上弦杆的承载力将达不到汽-20等级的荷载要求。原设计图纸上弦杆下缘配筋量最少的地方只有3Φ18,较同跨径刚架拱定型图中的10Φ22相差甚远(注:该定型图为1983年交通部公路科学研究所和湖南设计院联合编写)。

北门桥在超重平板车通行的情况下,上弦杆基本所有的断面和拱脚拱顶断面的承载力都不够。副孔的薄弱位置在跨中下缘,主孔的薄弱位置出现在拱脚上缘、拱顶下缘、大节点与小节点的上缘等地方,其中最不利位置位于上弦杆靠近大节点附近截面的下缘。


横向方面,微弯板的承载能力在超重车靠中线时行驶的情况下尚可,但无富裕。以当时桥面的开裂破损程度,受力断面尺寸将有所削弱,应引起足够重视。基础方面,由于挂车对基础影响不大,计算未考虑在内,只能有待于试验进一步证明。

2·3　检算的结论

(1)原桥拱脚上缘出现严重开裂,并相应造成八字墙断裂的主要原因是组合式桥台产生了较大水平位移 (位移大于10mm)。

(2)横向桥面微弯板的承载能力在超重车靠中线行驶的情况下尚可,但无富裕。

(3)北门桥如完全按照原设计图纸施工,承载能力将达不到汽-20等级的荷载要求。

(4)北门桥如不进行加固就通行超重平板车,上弦杆基本所有的控制断面和拱脚、拱顶断面的承载力都不够,全桥将会垮塌。

3　加固设计和施工

3·1　设计方案的确定

老桥承载力的检算分析结果表明应对老桥进行全面加固。北门桥是一座危桥,所以依靠加固后的永久性桥梁结构来满足通行重载的要求是一个两全方案,既加固了危桥,又通行了重载。基于上述原则,考虑到以下细节,加固选择以增大受力截面和配筋为主的方案。

(1)竣工资料不全影响到加固方案的计算与设计,计算时无法知道原截面的配筋量。只有凿出原有主筋,才能知道需加配的钢筋数量。

(2)通过计算可知最不利截面需对应配13Φ22,而每片上弦杆及实腹段的下缘仅宽30cm,所以必须加大受力截面,才能布下这些受力钢筋。

(3)全桥存在蜂窝麻面、露筋、少数断面结构尺寸偏小等施工质量问题,不打开原截面,将给整个加固工程留下隐患。

(4)增大受力截面和配筋的方法概念明确,而且改造彻底。

(5)受力不大的区域采用环氧树脂粘贴钢板打铆钉法加固,简便、快速、有效。

3·2　设计与施工要点

计算可知副孔的薄弱位置在跨中下缘,主孔的薄弱位置出现在拱脚上缘、拱顶下缘、大节点与小节点的上缘等地方,其中最不利位置位于上弦杆靠近大节点附近截面的下缘。依据不同的受力状况,分别采用了增大受力截面和配筋法、环氧树脂粘贴钢板法。


(1)拱脚上缘

将拱腿的拱脚断面保护层凿开,现有裂缝用环氧树脂填死闭合,将钢板(钢板长2·5m)定位,并使钢板边缘与原箍筋焊接,钢板中部用铆钉加固。加箍新的箍筋,并焊在钢板上,绑上主筋形成钢筋骨架。再用环氧树脂填充原混凝土表面和钢板间的缝隙。然后外包浇筑新的混凝土。

(2)上弦杆及实腹段下缘

主孔:分别凿开每片上弦杆及实腹段的侧面和下缘保护层,露出主筋和箍筋,将箍筋接长,焊上新的箍筋,焊接长度不小于10d,绑上主筋形成钢筋骨架,然后浇筑新的混凝土。靠近支座的弦杆与副孔主梁由于受力不大,采用环氧树脂粘贴钢板打铆钉法加固。实际施工时发现原截面混凝土有部分蜂窝麻面情况,全部采用环氧树脂封闭加固。

(3)桥面系全面加固

加设桥面钢筋。除配常规的构造钢筋外,另加设受力钢筋,纵桥向布置起抗拉作用,横桥向布置以提高微弯桥面板的承载力。施工时凿毛桥面露出原桥面钢筋后,每隔30cm布置钢筋锚栓,使新老桥面钢筋都与之焊接,在冲洗干净充分湿润后才浇筑新桥面混凝土。但实际施工时,发现老桥的桥面板厚度参差不齐,最薄处仅有12cm,距设计板厚22cm相差甚远,经过结构计算后,变更设计,加厚新桥面10cm。

4　荷载试验

4·1　主要测试截面及测试内容

根据交通部颁布的试行办法[2],结合理论检算的情况,选取测试的主要内容有:

(1)各受力杆件控制截面的应变和应力。

(2)各受力杆件控制截面的挠度及桥台的水平位移。

(3)各受力杆件的裂缝情况及其宽度值。


4·2　试验荷载的选择与加载位置、测点位置的确定

静载试验采用等效荷载原则,为安全起见,静载试验荷载控制在超重平板车荷载的80%左右,采用4辆太脱拉型自卸车模拟超重平板车,每辆重车总重300kN,其中前轴重约60kN,后轴重240kN,总加载吨位为1 200kN,根据计算荷载效率在0·783-0·838之间。

纵向加载位置具体视平面杆系程序计算出的控制截面影响线而定,横向位置始终居中。测点主要布置在2号、3号拱肋和弦杆相应的控制断面上。

4·3　荷载试验的结果与结论

对荷载试验成果进行整理,得出最不利工况下挠度和应力的评定汇总表,见表2和表3。桥台水平位移的检测结果见表4。

试验前,对各构件存在的肉眼能观察到裂缝进行观察和测量,在恒载作用下,在实施加固的截面基本没有裂缝,仅在3号实腹段和弦杆下缘分别观察到3条微裂缝。横隔梁(未进行加固)共观察到20条裂缝,裂缝宽度在0·08-0·2mm范围内。

在试验荷载作用下,所有拱脚均无裂缝出现; 2号拱肋实腹段新增1条裂缝, 2号弦杆新增3条裂缝; 3号实腹段新增3条裂缝, 3号弦杆新增1条裂缝;裂缝宽度均在0·08~0·05mm范围内,卸载后裂缝宽度基本闭合。横隔梁新增6条裂缝,且老裂缝有所发展,裂缝宽度在0·08-0·3mm范围内,卸载后裂缝宽度恢复到原有水平。

静载试验结果表明:加固后2号、3号拱肋和弦杆在弹性范围内工作,桥面基础在次重车加载的情况下几乎没有位移,整体结构刚度和强度都能满足超重平板车的通行要求.

5　结语

通过此次加固, 160t超重平板车顺利通过了北门桥,同时该桥也转危为安,承载能力得到很大提高,可谓一举两得。在对刚架拱桥这样的复杂受力体系上,扩大受力截面和配筋的加固方案充分显示了它工期短、费用省、概念明确、改造彻底的优点,具有一定借鉴和推广价值。另外从整个方案的实施过程我们的体会是:在病害严重的桥上通过特种荷载,实施上具有一定的风险性。整个加固过程都必须采取十分慎重的态度,考虑周全,始终把安全放在首位,理论联系实际,即在设计单位严格检算和周全设计,施工及监理单位按设计意图精心施工后,还要对加固后桥梁作检测工作,试通过次重车,作好各项数据的详细观测和记录,取得相应的结构检测资料,与理论计算相比较,经分析得出安全稳妥的结论后,方能通过重车。