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科学普及
钢筋混凝土刚架拱桥桥面改造技术
2020-04-09 10:03 点击:
    钢筋混凝土刚架拱桥在二十世纪八九十年代曾广泛应用于我国部分地区的公路及市政桥梁上,随着我国社会经济快速发展,交通量的迅猛增加,在超载运行的情况下,导致桥面结构出现了裂缝、塌陷等病害,造成了该种桥型的使用寿命大大缩短。

钢筋混凝土刚架拱桥桥面常见病害及原因分析


    钢筋混凝土刚架拱桥是在我国改革开放初期,特殊国情下出现的新型轻型拱桥,那时国内缺乏建筑钢材,水泥供应不足,研制这种桥型的目的,是在适用、安全、经济、美观的前提下,尽量挖掘其承载潜力,优化结构尺寸,尽量减少材料用量,以求最为经济。虽然这种拱桥有许多优点,但由于它属于高次超静定结构,结构受力比较复杂,如果一个构件有病害产生,会引起整座桥梁产生一些列病害。

    钢筋混凝土刚架拱桥主要依靠刚架拱片与横系梁、钢筋混凝土微弯板组成的桥梁上部受力体系来承受桥面系传递的荷载,由于其结构上的设计一般从轻型化考虑,因此桥面铺装厚度往往较薄,经过一段时间的运营后,桥面铺装层大多会出现网状开裂、纵横向开裂、坑槽等,病害严重的桥面铺装层出现波浪形起伏变形,同时铺装层破碎开裂,形成危桥。经过长期对钢筋混凝土刚架拱桥病害的观察、分析和治理,笔者认为造成上述病害的原因主要有以下几点:

(一)长期超负荷运营,桥梁主体结构形变引起桥面破坏

     钢筋混凝土刚架拱桥在二十世纪八九十年代大量修建,经过数十年的运营,在重型汽车反复作用下,桥梁拱片、横系梁、斜撑等主体结构出现裂缝等病害,承载力降低,产生变形,而桥梁主体结构的变形直接导致了桥面系的破坏。

(二)桥面铺装厚度较薄,配筋较少,桥面结构整体性及刚度不足

    早期钢筋混凝土刚架拱桥在设计时,设计荷载普遍较低,为尽可能的降低恒载,因此常常采用较薄的桥面铺装厚度,同时配筋较少。如此薄弱的桥面结构在长期荷载的直接反复作用下使用寿命本身就极为有限,随着运营时间的增长,桥面自然发生破坏。

(三)桥梁震动破坏

    桥梁震动破坏分为两种:1、桥面系整体性及刚度不足,桥面形变引起的震动,这种震动引起的破坏一般是大范围的桥面网状开裂。2、桥面先期破坏(如沥青混合料推移、拱包以及小坑槽)引起桥面不平整后,车辆在其上行驶造成的震动,这种震动会导致先期破坏迅速扩大、发展,从而加速这些部位的病害发展。

(四)排水设施损坏

众所周知,积水对桥面、路面影响极大,本桥桥面铺装层变形严重,桥面凹凸不平,遇水即形成水洼,散落的杂物又堵塞了桥面泄水孔,加剧了桥面的破坏。

(五)施工质量差

施工质量较差也是桥面病害产生的一个重要原因,如桥面铺装层里的钢筋保护层不满足要求;桥面施工时材料、工序管控不严格,作业队伍的专业施工技能较低等等都可能造成桥面的破坏。

钢筋混凝土刚架拱桥桥面常见病害治理对策

为彻底解决钢筋混凝土刚架拱桥桥面铺装反复破坏的问题,针对钢筋混凝土刚架拱桥桥面常见病害情况及病因分析,总结相对应的对策。

(一)须制定系统的桥梁改造方案

钢筋混凝土刚架拱桥桥面的病害修复方案,要在对全桥病害进行排查的前提下研究制定,要针对该桥的具体特点加以综合考虑,重点考虑技术可行性、经济合理性和体现创造性,否则头痛医头,仅对桥面进行修复,只能在表面暂时解决问题。尤其是桥梁主体结构存在的病害应一并修复,必要时采取增大截面加固或者粘贴碳纤维布等措施对主体结构刚度不足的部位进行加固补强,恢复或提高主体结构的承载力,确保主体结构在荷载作用下的形变满足规范和设计的要求。

(二)增强桥面系整体稳定性和刚度

增强桥面系整体稳定性有采用钢筋混凝土桥面铺装,桥面铺装加配筋后,能有效加强桥面连接,使桥面铺装层参与桥梁结构受力,从而提高整体性;提高桥面刚度常用的方法有增大桥面铺装层厚度和提高铺装层材料弹性模量等。

钢筋混凝土刚架拱桥抗超载潜力小,因此采用增大桥面铺装层厚度的方法面临一个问题,加厚桥面铺装层势必增加桥梁恒载,这对原本已经相对薄弱的桥梁结构是一个严峻的考验。近年来,轻质混凝土在工程建设中得到大量的应用,其特点是容重轻、强度高。用于桥面铺装层可大幅增加铺装层的厚度,从而提高铺装层自身刚度,既增加铺装层厚度又不增加荷载,因此轻质混凝土在旧桥桥面改造工程中得到越来越广泛的应用。

(三)减震

桥面破坏造成的坑槽、沉降不均等起伏震动会随着改造完成自然消除。

(四)完善排水系统

排水系统对于桥面乃至全桥的使用寿命都有极大的影响,桥面排水不畅,积水易渗入桥梁结构,对结构产生侵蚀,长期作用的结果就是造成桥梁结构破坏,因此一个顺畅的排水系统对桥梁的使用寿命有很大的帮助。

(五)严把质量关

确立质量为本的理念,在施工过程中针对每道工序,严格技术交底,建立完善的质检体系,杜绝不合格产品出现。

实例分析

以漯河市人民路澧河桥维修加固项目为例,对钢筋混凝土刚架拱桥桥面改造中的关键技术进行分析研究。

(一)工程概况

人民路澧河桥位于漯河市中心城区,为市区内跨越澧河的主要东西通道,该桥于1993年竣工通车,为三跨上承式刚架拱桥,单孔净跨径45米,矢拱度为1/8, 桥梁全长168.878m,桥面宽度为:净12m(行车道)+2×2m(人行道)=16m;桥面设置双向1%的横坡。近年来由于交通量的剧增,车辆轴载显著增大,原有桥面铺装已不能适应如今的交通量,虽桥面历经了多次维修,但仍然反复出现裂缝及破损等病害。2014年,有关桥梁检测单位对该桥进行了检测评估,认为需对其进行交通管制,加固维修后恢复通行。

漯河市人民路澧河桥桥面铺装问题主要是由于重载交通下结构刚度不足所致,只有通过对桥梁主体结构加固补强后重新浇筑钢筋混凝土桥面铺装层才能达到治理目的。因此根据分析,制定改造技术原则如下:

1、对桥梁主体结构进行加固补强,以恢复或提高主体结构的承载力。

2、加大桥面开裂方向的钢筋数量,进一步降低混凝土内部应力(应力转由钢筋主要承担),以加强桥面板的整体性。

3、拆除原桥面铺装层、填充层后重新配筋设计桥面板,重新浇筑桥面板时填充层和铺装层一同浇筑,以增加铺装层的厚度,达到增强桥面的整体刚度的目的。

(三)改造方案

按照上述技术原则,经认真比选,确定桥面改造方案。

1、恢复或提高主体结构的承载力:首先对桥梁主要结构的混凝土缺陷进行修复,然后对拱脚、拱腿、横系梁、立柱、盖梁采用增大截面法加固;对拱片顶、弦杆、斜撑进行粘贴碳纤维布加固。

2、增强桥面系整体性和刚度:拆除桥面铺装层及填充层之后,为有效控制桥面板的厚度,通过对桥面板拆除前后的高程数据分析,采用桥面铺装层混凝土和填充层混凝土一同浇筑,形成整体。首先在拱片顶纵桥向采用直径16mm的HRB400d的钢筋,间距20cm植筋,待新浇桥面板时通过植筋将新旧混凝土连成整体,达到良好的共同受力与整体工作的目的。然后绑扎双层钢筋网,上下层钢筋网均采用直径16mm的HRB400d的钢筋,横桥向间距10cm,纵桥向间距15cm。

(四)施工组织与实施效果

桥梁施工时道路封闭,以保证桥梁在施工过程中的人员安全及桥梁结构安全。桥面每跨横桥向分为上游侧(5#、6#拱片)、下游侧(1#、2#拱片)、中间部位(3#、4#拱片)三个板块。纵桥向分为拱顶段和拱脚段2个节段

桥面板的拆除重建施工时,在横桥向交替进行,先施工下游侧,再上游侧,最后中间部位,每部分混凝土浇筑完成达到设计强度后再进行下一步施工,以保证桥面板在施工过程中,横桥向每跨有三分之二的桥面有效固定连接;在纵桥向每一板块施工时具体拆除及浇筑顺序为:

1、先同步、对称、均衡的拆除每跨拱顶段桥面板,再同步、对称、均衡的拆除每跨的拱脚段桥面板,横桥向由外向内拆除,悬挑臂切割成块后吊装外运,拱片上的桥面板切割成1m见方的小块,再利用小型破碎机及风镐凿除,拆除过程中建筑垃圾及时清除,严禁在桥面上堆载,清除后方可进行下一步施工。

2、先同步、对称、均衡的浇筑每跨的拱脚段桥面板,混凝土养生至设计强度,龄期不少于7天,再同步、对称、均衡的浇筑每跨拱顶段桥面板,混凝土养生至设计强度,龄期不少于7天。  

3、再开始下一板块施工,直至全部完成。

监控量测是施工安全的有力保障及决策依据,要提前选择好观测点,卸载及加载的过程中随时观测拱片的扰度变化及墩帽的水平位移,发现异常时停止施工,及时决定应对方案。桥面现场施工如图7所示。

工程完工后,我们对桥面铺装进行了认真检测,桥面的平整度、强度、厚度、横坡、抗滑构造深度均符合设计及规范要求。同时,由建设单位委托的桥梁检测机构对该桥做了静载及动载试验。静载试验结果表明,该桥梁主要受力构件处于弹性工作状况,桥梁的实际状况好于理论状况,承载能力满足汽-15、挂-80级荷载正常使用要求;动载试验结果表明,该桥梁结构动力响应正常,桥梁结构的实际刚度大于理论刚度,并具有一定的耗散外部能量的能力。经过一年来的运营,桥面未出现裂缝等病害,取得了良好的效果,有效的解决了钢筋混凝土刚架拱桥桥面铺装反复破坏的病害,达到了改造加固的目的。

 

钢筋混凝土刚架拱桥具有自重轻、构件少和抗超载潜力小的特点,且桥面铺装层厚度往往较薄,容易出现桥面病害。针对钢筋混凝土刚架拱桥的这些特点,总结了钢筋混凝土刚架拱桥常见病害,分析了病害产生的原因,提出了相应的改造对策。并以漯河市人民路澧河桥加固维修项目为例,分析其病害和原因,提出桥面改造技术原则,并制定改造方案,经过三年来的运营,桥面未出现裂缝等病害,实践证明漯河市人民路澧河桥改造成功,取得了良好的效果,为同类工程积累可参考的经验。

 
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