钢筋混凝土拱桥复合加固技术的研究与应用.pdf

2 0 1 5 年 8 月第 8期 城 市道桥与 防洪 桥梁结构5 3 钢筋混凝土拱桥复合加固技术的研究与应用 王 维 国 ( 威 海市 乳山公 路管 理局 ， 山东威 海 2 0 00 ) 摘要 ： 随着交通事业的快速发展， 托挂车、 超重车及大型车辆逐年快速递增， 已对公路桥梁的安全造成了较大的影响。目 前 ， 我 国地方公路桥梁多数运营 2 0 a以上 ， 有些甚至高达 4 O 5 0 a ， 其承载力相远远不足以承载现有车辆压力。为了满足现代化交通 运输的需要 ， 同时够达到充分利用现有桥梁 ， 降低工程造价， 节约资金的目的， 采用先进的加固技术和改造措施对旧桥进行改造 加 固将直接促 进我 国交通事业 的发展 ， 更 好服务 于 国民经济 的发展 。 关键词 ： 钢筋混 凝土拱 桥 ； 复合 加固技 术 ； 应用 中图分 类号 ：u 4 4 5 7 + 2 文献标 志码 ：B 文章编 号 ： 1 009 7 7 1 6 ( 2 0 1 5 ) 0 8 0 0 5 3 0 2 0 引言 为了满足 国民经济 的发展 的需要 ，我 国在交 通事业特别是公路桥梁体系的投入大幅度提升但 依然不能完全满足实际需求。同时， 越来越多的重 型运输车辆不断 出现 ，这对于公路桥梁 的结构性 能和使用强度等都提出了更 为严 格的要求 。当钢 筋混凝土桥梁破损后采用科学的加 固技术进行加 固或者对原有的桥梁部件进行修复将能提高局部 或整座桥梁承载能力或通过能力 。桥梁加 固工作 大多数情况下保留原有的建造结构， 施工方便 ， 工 期短 ， 造价低 ， 有效保障公路桥梁的安全畅通 。 1 钢筋混凝土拱桥主要病害形式 拱 桥 结构 的上 部 病 害损 伤 主 要 分布 在 主拱 圈 、 附拱 圈 、 盖梁 、 主梁 、 拱上立 柱 、 支座及 桥 面系 等部位 。 1 1 拱桥径 向裂缝 拱桥径 向裂缝 在主拱圈的拱脚及拱顶最 常发 生 。拱脚 附近的裂痕下 面窄上面宽 ， 从拱轴线 中间 从上往下裂开 ， 通常垂直于拱轴线， 这种裂缝是于 负弯矩 的问题产生的。拱 圈背部设置有钢筋时 ， 数 条 近乎平行 的裂痕会从拱 圈脚部 的截 面上方 同时 出现， 其中拱脚处的裂缝最宽， 并向 1 4跨的方 向趋于减少 。裂缝宽度要控制在 0 2 5 mm以下 ， 一 旦 超过这个标 准就要及 时进行加 固或构件更 新处 理 。当拱 圈背部没有设置钢筋 时 ， 裂缝一旦产生 ， 其虽然数量少但 宽度会 比较大 ，产生 的影 响也 比 较严重 。拱顶 附近的径 向裂缝是 由于正弯矩 而引 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 4 一 l 8 作 者简 介 ： 王 维 国( 1 9 6 9 一 ) ， 男 ， 山东荣 成人 ， 高级 工程 师 ， 从 事 公路工 程建设 管理工作 。 起 的 ， 这 种裂缝 自下而上 ， 下 面 比上 面宽 ， 严重 时 会造成整个拱顶坍塌。为了减少这种裂缝 的产生 ， 在建造之初就应当根据具体情况采取预防措施 ， 准保工程质量。在已经建成并投入使用的拱桥中， 一 旦出现径向裂缝 ， 就要进行科学评估， 以确保是 否能够继续使用。拱顶和拱脚的裂缝达到截面的 中性轴 ，该桥就已经失去使用价值 ，需要重新建 造 ； 否则只需进行科学检测分析并予 以加固。径 向 裂缝 的主要形成原 因： ( 1 ) 截面整体性差 在具体施工过程中，拱桥常采用预制装配和 化整为零 的施 工方法 ，并没有 依据设计 时依据整 体的组合截面来计算拱圈的方法，这降低了拱圈 截面的整体性。即使是在整体性较好的拱桥中， 拱 顶 、 拱脚 出现径 向裂缝也是 常见现象 ， 而截面整体 性较差的桥梁就更容易产生 裂缝 。 由于施 工 的误 差而建造的截面整体性较差的桥梁在投入实际使 用 的过程 中， 通 行车辆反 复的超 负荷 的运载 ， 使得 桥梁拱圈截面的整体性更差，加速了径向裂缝的 产生。 ( 2 ) 受混凝土收缩 、 温度变化和墩 台变位 的影响 实 际施工 过程 中有多方面 的因素和设计 时存 在一定差距 ，如混凝土收缩 、温度变化和墩 台变 位。在设计施工过程中应足够重视上述因素的影 响， 取值要合理， 在低温时以最快速度合拢， 并严 格依据正确 的施工程序进行施工 。考虑如果不 充 分， 将可能造成拱顶下沉， 拱脚负弯矩和拱顶正弯 矩加大。拱桥产生裂缝 、 拱顶下沉又一个重要 原因 是桥台水平位移，它可能致使桥梁生成多种极具 破坏性的病害。所以在建造 无铰拱桥时建成一个 牢 固的桥 台是极其重要的 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 5 年8 月第 8 期 1 2 拱桥的纵向裂缝 拱桥 的纵 向裂缝容易出现在拱圈宽度超过 8 m 的拱桥上。这种裂缝通常顺着桥面 中线附近顺 跨 经方 向延伸 ， 病 害严重时可能会贯通整座桥梁 ， 将 桥在拱圈位置折断 。拱 圈第二条纵 向裂缝通常会 出现在拱圈宽度超过 2 0 m的拱桥上。拱桥的纵 向 裂缝产生 的主要原因 ： ( 1 ) 拱圈截面设计的形式不合理， 没有充分考 虑桥梁热胀冷缩 的需要 ； ( 2 ) 横截面荷载力分布不均匀 ； ( 3 ) 拱 圈的砌筑质量差 。 1 3 与拱波结合面上的环向裂缝 只有双 曲拱桥 中会产生拱波与拱肋结合面上 的环 向裂缝 。环 向裂缝 的最大宽度往往产生在拱 脚 和拱顶处 ，从拱脚 和拱顶 向两 1 4跨 裂缝逐渐 减小直至消失。不同的原因会产生不同部位的环 向裂缝 。肋 、 波之间的抗剪能力很弱 、 拱脚剪力较 大会引起拱脚附近的环向裂缝 ，由于拱肋受拉时 产生了径 向拉力，而肋 波间抗 拉能很小会引起拱 顶附近 的环 向裂缝 。 矩形拱肋 的双 曲拱 桥 ， 在技术 不成熟时， 肋、 波、 板的结合不够密切， 加上工人在 行走施工过程中破坏拱肋顶面的清洁，截面上实 际抗拉和抗剪的能力都较小，所以这个结合面上 非常容易产 生环向裂缝 。桥梁的承载能力在拱肋 与拱波可能全部脱开 时极大 的降低 ，加剧 了环 向 裂缝的产生。为了达到减少环向裂缝在产生的 目 的 ，后期采用了倒 T形拱 肋的双 曲拱桥 ，提高 胃 肋、 波、 板的结合度， 注重桥台稳固， 努力提高施工 质量 。 2 钢筋混凝土桥梁复合加固技术分析及应用 2 1 钢筋混凝 土桥梁复合加固技术分析 采取何种 维护加 固方 法取决 于桥梁 在病害特 点及其严重程度 以及病害产生在部位 。常见的 加 固方法有 ： ( 1 ) 粘贴钢板法。粘贴钢板加固钢筋混凝土结 构 的方 法始于 2 0世纪 6 0年 代初 的瑞士 和德 国， 是在 L H e r mi t e和 B r e s s o n工作 的基础 上加 以桥 体主要构件的抗 、 发展起来的。在钢筋混凝土受弯 构件表面粘贴环氧树脂或建筑结构胶把钢板 ， 使 桥体和粘贴的材料形成整体 ，使构件的抗弯能力 和抗剪能力得到提高， 减少裂缝扩展。 这种方法具 有 易于施工 ， 粘钢所 占空间小 ， 可保证桥梁净 空面 积不减少 ， 施工周期 短 ， 耗材少 ， 设 置灵活等 显著 特点 ，还能在不影 响或尽量少影响交通的情况下 完成施工 。梁式桥或梁、 板构件 的补强加 固的施工 过程中常用到此法。 ( 2 ) 粘贴高强纤维片材法。 碳纤维( C F R P ) 、 玻璃 纤维( G F R P ) 、 芳纶纤维( A F R P ) 这三种纤维是目前用 于加 固混凝 土结构 的纤维材料 。碳纤维材料因为 有质轻 ， 高强 、 耐腐蚀 、 耐疲劳等优 异的物理力 学 特点 ， 加上现场施工方便 ， 越来越普遍地被应 用于 桥梁工程补强加 固中。为 了实现对变形构件的制 约并提高构件的承载能力和极限强度 ，在加 固受 损桥体构件时 ，用粘结材料将碳纤维材料规则地 分布在构件表 面。粘贴在混凝 土梁的顶面或者是 底板上 ， 用以提高混凝土梁的截 面强度和刚度 ， 在 桥梁加固实际运用中常使用的方法；还可以把碳 纤 维绕 在节 点部 位来 实现抗 震设 计 和加 固的需 求 。碳纤维虽然有很高的强度 ， 但因为这种材料脆 性大 ， 不具有钢筋 的屈服特性 ， 所 以在设计 的时候 要避免使用到其破坏强度。 2 2 钢筋混凝土桥 梁复合加 固技术应用 2 2 1 工程概况 某大桥 ， 1 9 9 4年 9月动工 ， 1 9 9 6年 4月建成并 投人使用。 桥长 2 0 5 9 m， 桥面宽 2 6 6 m， 双 幅分离 式等截 面悬链线钢筋混凝 土箱肋拱桥 ，双 幅桥 的 墩台和基础一体，建于广西桂林至北海高速公路 路段 ， 上下游幅分 为为三个和两个车道。该桥设按 汽车超 一 2 0级 ， 挂 车 一1 2 0荷载标准设计 ； 上游幅 外侧 的一个车道按汽车 一 1 5级 ，挂车 一 8 O的地方 车道标准设计。桥面净宽： 上游幅 3 0 4 4 m ( 防撞 墙) + 1 O m行车道 + 4 5 m地方道路行车道 ； 下游幅 2O 4 4 m( 防撞墙) + 1 O m行车道 。 桥梁上部构造 ： 2 孔净 跨 8 0 m 双幅式 的等截 面悬链线钢筋混 凝土 箱肋拱桥， 拱轴系数为 2 2 4 ； 其中上游幅由于增加 了一地方车道 ， 故布置了三条肋 ； 下游幅为双肋 ； 所 有拱肋高 1 5 m， 宽 2 4 m， 均 为单箱双室截 面 ； 横系梁设 计成工字形 断面 ，所有混凝土按 照 C 4 0 的标准建造。 2 2 2 桥梁复合加 固方案的提 出 用壁可法封闭裂缝来进行对桥梁进行整体加 固；对每个主拱 圈的单箱双室之间的接缝进行压 浆处理 ， 实现 主拱圈 的加 固 ， 以加强结构 整体性 ； 采用粘贴碳纤维布增大截 面联合加 固法 ，实现拱 脚部位的加 固。由于主拱圈刚度偏低 ， 拟加厚加固 使拱肋提高截面刚度约 1 0 ，试算得拱肋加厚厚 度为 A h = 2 1 3 c m， 为方便施工取 A = 2 5 c m； 拱脚 弯 矩峰值拟降低约 3 0 ，增设每排立柱之 间的斜撑 及拱肋间横系梁 ， 按构造要求设其尺寸为 6 0 c m 6 0 cm。采用计算最大受力工况即挂 1 2 0 + 恒载工况及 粘贴钢板一有粘结预应力 复合加 固法对盖梁进行 ( 下转 第 7 3页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年 8 月第 8期 城 市道桥 与 防洪 桥梁结构7 3 宽 2 3 8 m， 施工中依 照“ 预制拼装 、 轻 型大跨 、 快速 施工 、 注重环境影响” 的理念 8 1 。进行景 观设计时 ， 尽可能 结合桥 梁建筑 与美 学和环 境 的和谐统 一 ， 彩虹桥和芙蓉桥的组合如同美丽彩虹横跨深圳市 区 ， 其 中彩 虹桥跨越铁路 ， 芙蓉 桥贯穿湿地 公 园 ， 设计桥面 自然 ， 与环境 自然融合一体 。最后 ， 河流 横穿市 区， 周边即是城市市中心 ， 因此桥梁设计也 要兼顾新奇生动的特点。 ( 2 ) 灯光设计与动态设计 首先 ，灯光设 计优先考虑桥上 车辆的照 明需 要 ， 同时避免对铁路线路产生干扰。在进行景观 设计 时 ， 桥体 外侧 安 装 阵列灯 具 ， 通过 系列 点排 布连成线 ， 增加桥体弧线美感并突出桥体大跨度 的气势 。同时 ， 以桥面虹拱结构为界 面 ， 在其外侧 安 装 L E D模 块 ， 并 扣装亚 力克 灯箱 面板 ， 形 成彩 虹状 发光装饰 。灯光远 观如稀 疏星光 ， 忽明忽暗 ， 宛如童话世界f9 】 。 芙蓉桥下设计了湿地公园， 公园 内候鸟栖息 ， 湖水碧波 ， 充分利用 自然环境资源 构思出一幅水天相接的优美画面， 使桥体 、 水体 、 植 被和城 市交通 自然一体 ， 充分显示 人与 自然 段 的和谐。 此外 ， 桥体周边还将设计灯光景观工程 ， 并融 入异 域风 情 ， 结 合 最新 流行 元 素 ， 致 力 于对 生态环境的保护，对 自然资源的可持续利用， 同 时为居 民提供 观光 、 运 动的空 间。桥梁设计 注重 以人 为本 的同时 ， 也要 因地制宜做 到与环境 的和 谐统一。 4 结语 本文重点介绍桥梁景观设计理论 ，通过实例 分析 ， 阐述其应用 。现代化城市建设 中， 河流景观 带的建设是一个重要组成部分 ，在相应的桥梁设 计过程 中必须 系统全 面地考虑 ，将桥 梁设计 与景 观设计 相结合 ，同时兼顾本体 与环 境 、功能与构 型、 人文与历史、 色彩观感等特点。现代城市桥梁 景观设 计具有的特点 归纳为 ：桥梁 设计需兼顾外 形美 与功能美 ，景观桥梁要 注重灯 光设计与动态 景观设 计 ， 建成 以人 为本 、 具有城市特色的桥梁文 化并 与人文 、 自然环境相协调 。 参考 文献 1 】 杨士金， 唐虎翔 景观桥梁设计【 M】 上海： 同济大学出版社 ， 2 0 0 3 2 】 万敏 我国桥梁景观设计的现状与发展【 J 】 桥梁建设， 2 0 0 2 ( 6 ) ： 6 6 - 6 8 【 3 王大海， 崔永彬 城市桥梁造型及景观设计思考 J 】 交通世界， 2 0 1 0 ( 9 ) ： 1 0 8 1 1 O 【 4 】 张涛 浅析城市桥梁景观中的结构造型设计【 J _ 工程与建设 ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 3 3 4 - 3 3 5 【 5 赵 相存 城市 桥梁景观设计浅谈 J 】 中国房地产业， 2 0 1 1 ( 1 2 ) ： 1 7 0 6 6徐诚一 浅谈城市桥梁与景观设计【 J 江苏交通， 2 0 0 3 ( 1 0 ) ： 2 3 2 4 【 7 】 崔树彬， 王现方， 邓家泉 试论珠江水系的河流生态问题及对策 【 J 水利发展研究， 2 0 0 5 ( 9 ) ： 7 1 1 【 8 】 李勇， 聂建国， 陈宜言， 等 深圳彩虹大桥设计与研究【 J 】 土木工 程学 报， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 5 2 5 6 【 9 】黄大键 天津 市新建 的具 有独特 风格 的桥梁【 A1 第 十七 届全 国 桥梁学术会议论文集t e l ， 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 6 七 七- I P 七 t 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 fi - 七 七 七 七 | 七 七 七 奇 七 专 专 七 | 七 七 专 七 电 七 七 七 七 七七 七 七 七 七 七 ( 上接第 5 4页) 加固。在斜截面处应用预应力筋来抗剪实现加固。 采取两种方案 。方案一 ： 通过钻孔方式将设置销栓 锚 固装置装 置在盖梁正对立柱顶部 ； 方案二 ： 在盖 梁处 自由端设置体外锚固装置。加固使盖梁斜截 面抗剪承载力提高约 1 5 2 0 ， 计算得预应力筋 总面积( 预应力筋选取西 l O热处理钢筋) ： 方案一 为 A = 8 0 0 7 fi l m ， 取 1 2根总面积以 9 4 2 0 m m 采取 双侧每侧 6根对 称布 置 ；方案二 取 2 O根总 面积 A = 1 5 7 0 0 m m2 采取双侧每侧 1 O根对称布置 。张 拉控制按 F = 0 5 5 f 控制 。粘贴钢板选取厚度为 6 mm的 1 6锰钢 ，以盖梁跨 中截面底部混凝土拉 应力处于极限状态控制设 计 ，计算得粘贴钢板宽 度为 b = 4 6 7 c m， 取加固宽度 b = 8 0 c m与盖梁宽度 相 同。 3 结语 随着 当前 国家经济的快速发展 ，公路桥梁体 系作为其核心组成部分， 其投资比例越来越大。但 同时 日趋增多 的重型运输车辆对于公路桥梁 的结 构性能和使用强度等都对公路桥梁体系提出了更 加严格的要求。目前常用的加固技术在建筑工程 中的研究与应用 已经趋于完善 ，而针对公路桥 梁 进行复合和综合应用研究才 刚刚兴起 。本 文在公 路桥梁 常用加 固技术对 比研究 的基础上 ，针对 钢 筋混凝土拱桥病害特点对一些复合( 联合) 加固方 法进行 了尝试性的研 究和应用探讨 。 参考文 献 【 1 堪润水， 胡钊芳， 帅长斌 公路旧桥加固技术与实例 M 】 北京： 人 民交 通 出版 社， 2 0 1 2 【 2 】 周建廷 桥梁加 固机理及加固准则探讨【 J 】 重庆交通学院学报， 2 0 1 1 ( $ 1 ) ： 2 6 - 2 8 3 】 交通部科学技术情报研究所 旧桥监测 、 评价 、 加 固技术应用 f M】 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 9 4 】 刘来君， 赵小星 桥梁加固设计与施工技术 M I 北京： 人民交通出 版社。 2 0 1 4 学兔兔 w w w 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