双曲拱桥加固维修实例

摘　要:我国在60～70年代修建的双曲拱桥,设计荷载标准较低,已不适应交通量日益增长的需要。通过对 京沈线敖汉桥各部位的病害分析,介绍加固、提载方法和施工要点。 

关键词:双曲拱桥,加固,施工要点,旧桥加固,拱圈加固,

1　前言 

近20多年来,我国公路建设事业蓬勃发展,公 路的通行能力和服务水平进一步得到改善和提高, 尤其是“九五”以后,国家进一步加大了基础设施建 设投资,公路面貌日新月异。但是,我国在20世纪 60～70年代修建的桥梁,设计荷载标准较低,而且 大部分公路和桥梁仍在服役,已不适应交通量日益 增长的需要。而我国是一个发展中的国家,不允许 也不可能对所有此类桥梁全面重建,因此对旧桥进行加固、维修或重建应进行认真分析,科学决策,使 之更好地为国民经济服务。 

2　敖汉桥的病害及原因分析 

2. 1　敖汉桥基本情况简介 敖汉桥位于G101 线K716 + 487 处, 全长 4412m,上部结构由2孔15m双曲拱组成,桥宽为净 7 + 2 ×0. 75m人行道,矢跨比为1 /6,横向7肋6波, 拱肋混凝土强度为C25,拱波的混凝土标号为C15; 下部为重力式桥墩和U形桥台,基础为污工沉井基 础。 敖汉桥原设计荷载为汽车- 13级,拖车- 60, 建于1967年. 

2. 2　敖汉桥的病害状况 桥面纵向变形呈波浪形,除桥两侧桥面沉陷达 30cm外,其余幅度不大,但桥面铺装碾压破碎较为 严重,集中在墩顶伸缩缝附近处。安全带因受挤压 而整体外移最大处达40cm。桥面栏杆损坏严重,已 残缺不全。伸缩缝也老化损坏。 主拱圈拱肋无明显破损,在拱脚3m范围内发 现纵向微小裂缝,拱顶下沉10cm;拱波纵向裂缝严 重,尤其表现在桥梁横向跨中位置,几乎贯通全拱, 且纵向裂缝较宽,达4mm,检查中两孔情况相似;在 各孔拱波与拱肋连接处,大部分都有裂缝,有的还十 分明显,有不少水泥砂浆脱落现象,用手就能抠下用 于浆砌的砂浆。拱肋上有的地方有水迹,说明拱板 拱波有渗水的地方;有的横系梁破损露筋。 靠近桥台处腹拱拱圈有被压碎的现象,混凝土 有局部脱落,腹拱拱脚及拱顶处有拱圈相对错开。 立墙未发现明显鼓肚及裂缝。 桥墩墩身的浆砌片石被水冲刷严重,无鼓肚裂 缝现象。桥墩桥台没有严重下沉现象,桥墩台承载 力基本上能满足荷载的要求。 

2. 3　病害情况分析 拱上填料的透水性不好而造成拱上填料的含水 量升高,降低了填料的抗压强度。桥面铺装的破坏, 使降水更容易渗入拱上填料。重车作用下,拱上填 料向两侧挤压而将安全带推移。并且桥面结构缺乏 基层,桥面形成波浪。拱桥墩台处的变形缝在桥面 处理不当。 主拱圈下沉有施工的原因,也有后来几十年来 混凝土受压徐变的因素等。现场观察结果表明,主 拱圈中的拱肋无明显破坏,说明拱肋有一定的承载 能力贮备。 拱波的纵向开裂主要原因是:拱肋间横向联系 差,变形不协调,承载能力不足。说明主拱圈横向联 系存在严重不足。 有的拱圈横系梁与拱肋接触位置的混凝土破 碎,也表明该桥在较大的荷载作用下抗扭刚度和横 向刚度不够,造成桥梁整体受力能力减弱,也进一步 证实了低设计荷载标准下的结构在承受较高的荷载 作用时显示出来的破坏迹象。 总之,造成桥梁破坏的原因有如下几个方面: (1)重车交通量的不断增长:重车的日益增加,病害则日见严重,且随着交通量的增加,桥上会车的 机会变多,经常性的重车偏载对桥中心线附近拱圈 进行反复交替的剪切。 (2)设计原因: 60年代,设计荷载标准低,结构 设计不完善。 (3)施工原因:限于历史原因和当时的施工管 理方法,在质量控制环节存在着一定的问题,表现在 施工工艺的先进性、建材的质量上及施工人员的整 体素质上等。 (4)自然条件原因:阜新地区昼夜温差较大,温 差的变化给结构带来很大内力,对拱圈的影响是很 不利的。除此之外桥梁主体受自然风化较为严重。 

2. 4　桥梁加固维修的目标 根据所分析情况,针对性的对该桥各个部位进 行病害处理与结构加固维修,以充分发挥原桥潜在 的承载力,延长桥梁原有使用寿命,并将桥梁的设计 荷载标准由汽- 13、拖- 60,提高至汽- 20、挂- 100,以适应日益增长的交通量和车辆轴载,为阜新 地区的经济转型和经济振兴提供有利的保障。 

3　针对各部位的病害加固方案 

通过对该桥检查和分析的情况来看,尚未发现 墩台基础出现下沉病害。该桥目前使用多年,墩台 基础的沉降已完成并趋于稳定。桥墩台身除了表面 冲刷和风化处,也没有发现鼓肚、各种方向裂纹等结 构性的破坏。所以对该桥的加固维修主要针对上部 结构。 (1)主拱圈加固 拱桥的横跨比小于1 /20时不需要验算桥梁的 横向刚度,但事实上原横系梁尺寸偏小,而显示出提 载后横向刚度相对小,属薄弱构件,针对这病害,将 横向拉杆改成横系梁, 即将全桥八根横系杆由 104cm ×9cm ×9cm改成104cm ×13cm ×17cm横系 梁,以加强桥梁的横向整体性。 对于拱波较大的裂缝的处理, 可将其凿成深 2cm的“∧”形,再填塞12 号砂浆。然后用钢扒钉 卡紧,钢扒钉的间距为30cm左右。拱波裂纹的处 理如图1所示。 清除拱圈上部的填料,加铺C30膨胀混凝土补 强层,增大主拱圈横截面积,提高主拱圈的轴向力和 弯矩抗力,同时增强了全桥的横向刚度和纵向稳定 性。加固结构如图2所示。 

(2)拆除腹拱立墙及实腹段侧墙,按原结构尺 寸以M7. 5号砂浆砌块石重新安砌。更换腹拱圈中 破坏的预制块,按原结构尺寸和结构形式安装。拱 上填料换上砂砾并分层夯实,砂砾的回填松铺厚度 每层控制在15cm内。拱上建筑拆除后的材料再应 用,要注意将原来附着的旧砂浆和混凝土清除干净。 施工中注意砂浆的质量和浆砌圬工的施工工艺。 

(3)桥面 由于原桥面缺少稳定而坚实的基层,缺少桥面 铺装的整体性而造成现有的破坏现象。对桥面铺装的加固采用铺设20cm水泥稳定砂砾基层和10cm 钢筋混凝土板、3cm 沥青混凝土面层。桥面横坡 2%。 钢筋混凝土桥面采用间距为15cm ×15cm的构 造配筋,混凝土材料选用C40,钢筋为Φ12 ( Ⅱ级) 。 

(4)桥墩台 桥梁的桥墩,除外观表现为浆砌片石的砌体外, 无法考证桥墩内部尺寸与构造,给结构的验算带来 了很大困难。从实际的运营情况来看,桥墩台没有 结构性损伤,只是在水冲刷下,浆砌墩身大部砂浆冲 空。针对这种情况,采用类比法,即以同类工程中, 破坏程度更高,提载幅度更大桥梁作为加固经验,以 保守的方式处理该桥墩台。 沿墩身下挖至沉井基础顶面,采用预应力锚索 喷射5cm喷混凝土的方法。预应力锚索用Φ20 ( Ⅱ 级)的螺纹钢筋制做,从基础顶部一直到拱脚位置 每隔50cm设置一箍,总共设置6道。 (5)其它 重新安装栏杆底座,重新预制桥梁栏杆。 

4　建筑材料的使用 

一般普通混凝土在硬化之后,其体积是收缩的。 膨胀混凝土的使用,是为了补偿混凝土的这部分收 缩,才能使新旧混凝土更好结合。而且,拱波下的水 迹说明上部拱板有渗水的地方。使用膨胀混凝土也 能够很好的防渗。普通混凝土本身抗拉强度低,在 硬化收缩时,自身也会产生拉应力。在计算过程中 可以看出,补强的混凝土在一定程度上可完全抵消 这两种拉应力。这就更降低了混凝土受拉破坏的可 能性。《混凝土外加剂应用技术规范》GBJ50119中 规定,补偿收缩混凝土的应用范围为构件补强、渗漏 修补等。所以,在此类旧桥加固中在普通水泥里掺 入膨胀剂是有必要的。 拱圈加固所使用的补强混凝土的标号是C30, 为了使得新旧混凝土更好的结合,设计中在混凝土 中掺入一定量的膨胀剂。混凝土的施工配合比和膨 胀剂的掺量由辽宁工程技术大学土木建筑工程学院 的建材试验室根据工地提供的材料和水泥反复试配 得出。C30混凝土施工配合比是水泥∶砂子∶石子∶ 水= 1 ∶1. 578 ∶2. 913 ∶014,此时W /C + U = 0. 4, FDN减水剂掺量为1%。C30膨胀混凝土施工配合 比( kg/m3 )是水泥∶砂子∶石子∶水∶U 型膨胀剂= 370. 8 ∶650 ∶1200 ∶165 ∶41. 2,膨胀剂为UFA - W 膨胀剂,掺量为10% ,等量替代水泥量。 墩台身的加固使用普通喷射混凝土。所有浆砌 圬工采用M7. 5砂浆,石料的强度不低于30MPa,拱 上填料采用天然级配砂砾。 

5　施工要点 

5. 1　膨胀混凝土的施工 

5. 1. 1　原拱圈处理 挖除拱圈顶部的填料,并清除原表面杂物、泥土 等。检查挖除填料的拱板顶部是否有纵向裂纹,如 果有的话按照拱腹部处理裂缝的方法处理。 

5. 1. 2　凿毛原拱板 为了使新旧混凝土结合密实有足够的粘结力, 更好的共同作用,保证两种混凝土达到整体受力的 设计要求。需要将原拱板凿毛或打成沟槽。凿毛拱 板顶部时,用铁锤和钢钎等工具,用人工凿毛的方法 凿成深度约5mm,密度为9 ～12 点/10cm2的小坑, 凿毛工具为钢钎,可以用钢筋工地自制,如果要形成 沟槽,则深度不小于6mm。 

5. 1. 3　混凝土施工 (1)混凝土施工用水泵喷水冲洗,充分湿润拱 板表面,预先保证不少于12h的表面湿润。施工前 刷水泥净浆进行处理表面,以利新混凝土与原结构 的粘结。 (2)运输与贮存:膨胀剂在运输与保管中不得 受潮。产品贮存期为六个月,不得与水泥混放,过期 或受潮要重新进行物理性能试验。 (3)膨胀剂与混凝土其他原材料一起投入搅拌 机,拌和时间较普通混凝土延长30 s,不得小于60 s, 以保证拌和料的均匀性。膨胀剂按重量计,称量偏 差为±1%。 (4)膨胀混凝土施工过程中,在计划浇注区段 内连续浇注,不得中断;混凝土的振捣不得漏振、欠 振和过振;混凝土终凝前,采用人工多次抹平。 (5)混凝土施工应该从拱脚向拱顶浇注,两边 同时施工,目的在于主拱圈的受力均匀。 

5. 1. 4混凝土养护 膨胀混凝土要有充分湿养才能更好地发挥其膨 胀效应,必须重视混凝土的养护工作。混凝土浇注 完毕后,表面再抹平。混凝土硬化后,采用湿麻袋覆 盖,保护混凝土表面潮湿,养护时间不小于14d。 

5. 2　墩身预应力锚索喷射混凝土施工要点 (1)受喷面清理与凿毛 处理方法同上。但浆砌片石的墩身中砂浆已经 被水冲刷掉,并且片石中夹杂了泥砂,这不利于喷射 混凝土与墩身的粘结。所以高压水冲洗干净。 (2)喷射混凝土施工 喷射时,尽可能使料束与受喷面垂直,无法垂直 时倾斜应小于30°。喷嘴与受喷面保持0. 6～1. 2m 的距离,施喷顺序为自下向上,按30～50cm直径划 圆成螺旋形前进。每次施喷层厚以3cm左右为宜, 两次喷层间隙20～30min。 (3)喷射混凝土的养护 对新喷射混凝土喷水养护,保持其表面湿润,从 喷射混凝土初凝后2h开始,养护期不少于7d,由于 喷射混凝土中掺有一定量的速凝剂,即能显著加快 混凝土凝结,提高早期强度,也在一定程度上抑制了 水泥的水化作用而易于产生较大的收缩变形。因 此,必须保持较长的养护日期,以保证强度的正常增 长,减少和防止收缩开裂。 (4)表面修整 喷射面修整平整,对提高耐久性和强度均是有 利的。在喷射混凝土初凝后(即喷射后15 ～ 20min) ,直接在喷射面上抹一层砂浆。 

5. 3　浆砌圬工施工 腹拱立墙和实腹段侧墙采用M7. 5号砂浆浆砌 块石,石料规则,镶面平整,砌体采用工字缝砌筑,要 求外观美观。 砌体中按结构留变形缝与伸缩缝,要求做通,里 面用沥青麻丝填实处理。 

5. 4　钢筋混凝土桥面铺装施工 拱上填料的最后一层(20cm)做成水泥稳定砂 砾层,再进行桥面钢筋混凝土的施工。分块施工的 钢筋混凝土桥面铺装的伸缩缝要尽量直顺,填充的 沥青麻丝要填实而不至于渗水。施工完毕后的表面 用木抹抹平。混凝土硬化后,覆盖湿麻袋或草帘浇 水养护不小于7d。 

6 加固效果分析 

为了检验双曲拱桥加固效果,省公路局委托 长安大学进行荷载试验验证。表明经过加固后,可 以使结构的整体刚度和承载能力得到明显提高,满 足了使用要求。 

7　结束语 

我国大部分双曲拱桥建于20 世纪50 ～70 年 代,已经运营数十年,再加上超载、超限车辆的日益 增多及结构本身的缺陷,大批桥梁都有了不同程度 的破坏,急需维修与加固。伴随着经济增长的步伐, 各种桥梁包括双曲拱桥还要面临着承担超过原设计 荷载标准很多的活载及各种偶然荷载,因此旧桥的 改造工作中还要有提高承载能力的意识。危、旧桥的整治、加固及提载已经成为当今我国公路养护的 一项日益繁重而紧迫的工作。 通过对国道敖汉双曲拱桥加固、提载的成功 施工,为我省双曲拱桥的提级改造提供了可借鉴的 成功范例。但作为科研的试验性项目,在该项目的 实施过程中尚有许多不足之处,望在以后的工程实 践中予以完善。

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