拱波雙曲拱橋
橋樑概況
增田大橋全長125.836 m ,建成於1976 年,運營至今已有三十餘年。大橋上部結構為7 孔淨跨徑約為15 m 的現澆式拱波(板)雙曲拱。依據現場實測主拱肋下緣坐標, 推定大橋主拱圈拱軸線為m =2 .814 的懸鏈線,淨矢跨比為1/7。現場實測主拱肋寬度為20 cm ,拱肋間淨距為234 cm ,主拱圈總寬度為788 cm ,總高度為80 cm 。每跨主拱圈上對稱設定有4 個腹孔,且各橋墩、台處均設定有1 個腹孔。大橋下部結構為擴大基礎配重力式橋墩及橋台, 且擴大基礎下設有松木樁。此次加固前已對1號, 3號及4號橋墩擴大基礎先後兩次採用外包混凝土進行加固。 第一層及第二層新增外包混凝土擴大基礎襟邊寬度分別約為95 cm,30 cm 。
大橋病害分析
2.1主拱圈病害及其成因
通過現場對主拱肋下緣坐標進行測量後發現:
1)主拱圈拱軸線線型為有利於拱式結構受力的懸鏈線;
2)各跨實測拱頂標高與推定標高的高差相比較, 分別下撓了2.3 cm～51.8 cm, 四分跨截面則分別下撓了1.9 cm ～85 .2 cm 。可見除了因施工誤差導致主拱肋實測線型與推定線型間存在差距以外, 還存在因主拱肋長期承受超重車輛荷載反覆作用後累積下撓的緣故。現場對主拱圈進行病害檢查時發現, 主拱圈原有結構性病害為拱波波頂沿縱橋向開裂, 裂縫寬度為0.2 mm～0.5 mm, 並有部分裂縫貫穿全跨。 主拱圈拱腳附近拱背與拱波波頂對應位置存在縱橋向裂縫。另外, 主拱圈還存在主拱肋局部鋼筋外露並鏽蝕, 拱波開裂處滲水並有白色晶體析出等病害。
分析發生拱波波頂開裂的主要原因是增田大橋主拱圈形式與其他常見的、採用預製安裝方式施工拱肋和拱波, 然後現澆拱板形成的雙曲拱橋主拱圈形式不同。 本橋雙曲拱主拱圈採用先吊裝拱肋, 再直接現澆拱波(板)的方式進行施工。而且主拱圈拱波波頂處的厚度僅有5 cm ,小於預製安裝方式施工的主拱圈拱波波頂的厚度(一般拱波波頂處拱波與拱板厚度之和為12 cm～18cm)。再加上拱波跨度較大且坦,而大橋原設計荷載等級較低, 在長期的超重車輛荷載反覆作用下, 拱波波頂承受了過大的彎矩而開裂。
2 .2 腹孔病害及其成因
現場病害檢查發現, 各橋墩、台處腹拱圈及主拱圈距拱腳第一個腹拱圈拱頂位置處均存在橫橋向貫穿裂縫, 部分腹拱圈於橋面中心線附近縱橋向開裂。各腹拱圈下緣均存在滲水, 並有白色晶體析出現象。 腹拱墩未發現肉眼可見的結構性病害。 分析腹拱圈發生上述病害的主要原因是腹拱圈矢跨比較小(矢跨比為1/5 .89～1/5 .57)、厚度較薄(腹拱圈厚度為18 cm),在超重車輛荷載反覆作用下, 腹拱圈拱頂處因承受了超過其承載力的正彎矩發生橫橋向開裂。 腹拱圈縱橋向開裂則與大橋橫向整體剛度較低有關。
2 .3 橋面系及側牆病害
增田大橋加固前採用瀝青碎石橋面。 現場病害檢查時發現腹拱圈橫向裂縫發展至側牆, 進而延伸至人行道板, 導致人行道板橫向開裂。 行車道局部存在坑槽且存在多條縱、橫向貫穿裂縫(裂縫寬度多在0.5 mm～3 mm之間), 且橋面縱向裂縫位置與主拱圈拱波波頂位置相對應, 可見大橋橫向整體剛度不足。
由於大橋橋面破損, 橋面積水滲透至拱腔填料內, 使得拱腔填料遇水膨脹, 在車輛荷載的共同作用下, 橫橋向推動拱上側牆外移並縱橋向嚴重開裂, 甚至局部產生外移。
2 .4 下部結構及河床主要病害
大橋橋址處河床沖刷現象嚴重, 目前1號, 3號及4號橋墩均先後兩次採取外包混凝土加固原有擴大基礎。目前, 3號墩上游側基礎底部再次被水流掏空, 嚴重危及大橋安全。
橋樑加固
加固結構分析
根據增田大橋結構形式、實際狀況及受力特點, 著重對拱腳、八分跨、跨中截面進行驗算。 加固前、後的理論分析荷載組合方式均按“ 1.2結構自重+1.0收縮徐變+1.4(1.0公路Ⅱ級+0.7人群+0.49降溫)” 取值。結構理論分析結果見表1。加固前大橋拱腳及跨中截面在現行規範荷載等級“ 公路— Ⅱ級” 的作用下均不能滿足規範要求;加固後大橋主拱圈各控制截面承載力均滿足現行規範的要求。
加固提載技術
1)主拱圈加固提載技術。對主拱肋三周外包10 cm 厚的C40 微膨脹混凝土, 以提高主拱圈正彎矩區段的承載力, 並在各跨距拱腳最近的一個拱上腹孔範圍內的拱背上緣均現澆一層C40 鋼筋混凝土, 提高主拱圈拱腳附近抵抗負彎矩的能力。
2)套拱法加固提載腹孔圈技術。大橋腹拱圈病害嚴重且承載力不足, 因此在腹拱圈下緣增設鋼筋混凝土套拱來加固腹拱圈, 達到增大腹拱圈截面面積、提高其承載力的目的。
3)加固下部構造及河床鋪砌技術。對被水流沖刷嚴重或已掏空的水下基礎四周開挖至岩層50 cm 深處,再對開挖面至基礎頂面以上50 cm 範圍內現澆C20 水下混凝土。對第一跨及第四跨的河床進行整平, 再在其表面鋪砌厚度不小於30 cm的漿砌片石來加固河床。 河床鋪砌延伸至現有橋墩基礎上、下游側邊線以外各8 m(橫橋向)處,並在河床鋪砌的上、下游側均設定漿砌片石擋牆。
4)加固橋面系及側牆技術。鑿除原有橋面鋪裝後,拆除已發生外移及開裂的拱上側牆, 再採用漿砌片石重新砌築側牆至原有頂面標高, 並重做整體式鋼筋混凝土橋面板(C40防水混凝土),增強大橋橫向整體受力性能。 對人行道系則採用拆除後重新預製安裝人行道π 形板並現澆緣石, 安裝欄桿柱、扶手的方式加固。
結語
增田大橋雙曲拱主拱圈的結構形式不同於一般雙曲拱橋, 其拱波(板)採用現澆方式施工。大橋因此出現了不完全相同於其他典型雙曲拱橋的病害。 不同處具體表現為大橋橫向整體性更為薄弱, 拱波波頂開裂的現象也更為嚴重。在對大橋進行加固時綜合考慮了橋樑實際病害及結構理論分析結果, 對主拱肋三周及拱腳段拱背上緣採用現澆鋼筋混凝土的方式分別提高跨中及拱腳截面承受彎矩的能力, 並設定整體現澆橋面板提高大橋的橫向整體性。另外還套用到了對腹拱圈增設套拱、現澆鋼筋混凝土加固側牆等技術。 對河床嚴重沖刷的問題, 則採用漿砌片石鋪砌配合上、下游擋牆的方式予以根本解決。
