某多跨双曲拱桥改造设计关键技术.pdf

第卷 第期广 东 交 通 职 业 技 术 学 院 学 报 年月 收 稿 日 期：作 者 简 介：韩 宜 康，副 教 授，硕 士，主 要 研 究 方 向 为 桥 梁 工 程 设 计 与 施 工 技 术基 金 项 目：年 南 京 铁 道 职 业 技 术 学 院“青 蓝 工 程”培 养 项 目文 章 编 号：（）某 多 跨 双 曲 拱 桥 改 造 设 计 关 键 技 术韩 宜 康（南 京 铁 道 职 业 技 术 学 院，江 苏 南 京）摘要：以 某 双 曲 拱 桥 加 固 改 造 工 程 为 例，在 主 拱 圈 状 态 良 好 的 状 况 下 以 减 重、提 高 耐 久 性 为 设 计 原 则，采用 连 续 板 式 拱 上 建 筑 改 造 方 案。在 对 空 腹 式 双 曲 拱 桥 改 造 进 行 研 究 的 基 础 上，提 出 钢 底 模 现 浇 混 凝 土 整 体 连续 板、现 浇 悬 臂 挑 梁 的 改 造 方 案；对 行 车 道 板 支 撑 形 式 及 对 横 隔 墙 受 力 的 影 响 进 行 分 析 研 究；在 保 证 桥 面 能够 不 中 断 交 通 的 情 况 下，提 出 对 称、均 衡、分 期 改 造 的 方 案。改 造 后 该 双 曲 拱 桥 承 载 能 力 提 升、耐 久 性 提 高，取 得 了 良 好 的 改 造 效 果。关 键 词：双 曲 拱 桥；改 造 设 计；连 续 板 式 拱 上 建 筑；对 称 均 衡中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：（，）：，；，：；双 曲 拱 桥 是 中 国 桥 梁 文 化 的 瑰 宝。该 桥 型 自世 纪年 代 被 创 造 后 经 历 了 近年 的 蓬 勃 发展。其 桥 型 新 颖、外 形 轻 巧 美 观、经 济 实 用，具有 鲜 明 的 时 代 背 景 和 顽 强 的 生 命 力，并 在 此 基 础上 衍 生 出 桁 片 式 刚 架 拱 桥。双 曲 拱 桥 在 施 工 速度、节 约 材 料 等 方 面 具 有 明 显 优 势，自 其 产 生 以来 迅 速 从 农 用 桥 发 展 到 大 跨 公 路、铁 路 桥 梁，甚至 应 用 于 水 利 工 程 和 码 头 建 设。桥 梁 跨 度 从 最 开始 的，逐 渐 发 展 到 河 南 省 嵩 县 前 河 大 桥 的。桥 梁 的 结 构 形 式 多 变，适 应 地 形 能 力 较强。然 而，由 于 片 面 强 调 节 约 材 料 并 降 低 截 面 尺寸、早 期 设 计 水 平 和 荷 载 标 准 低、预 制 及 吊 装 水平 等 原 因，双 曲 拱 桥 在 使 用 过 程 中 较 早 地 出 现 了典 型 的 拱 波 纵 向 开 裂、拱 肋 横 向 开 裂、横 向 联 系变 弱 甚 至 失 效 以 及 渗 水 等 耐 久 性 病 害。据 不 完 全统 计，目 前 全 国 约 有座 双 曲 拱 桥 在 运 营。虽 然 该 桥 型 具 有 一 定 的 超 载 能 力，但 由 于 当 时 设计 荷 载 标 准 低，交 通 运 输 事 业 发 展 导 致 车 流 量 广 东 交 通 职 业 技 术 学 院 学 报第卷大、超 载 车 辆 剧 增 等 原 因，大 部 分 双 曲 拱 桥 均 存在 不 同 程 度 的 结 构 性 病 害。部 分 桥 梁 被 评 定 为 危桥，甚 至 发 生 多 起 双 曲 拱 桥 垮 塌 事 故。背 景 工 程某 双 曲 拱 桥 于年 建 成 通 车，桥 梁 设 计荷 载 为 汽级。桥 梁 跨 径 组 合 为 （见 图），矢 跨 比 为，拱 轴 系 数 。桥 面 宽 度 为（）。主 拱 圈 总 体 上 为肋波 的 结 构 形 式，跨 中 横 断 面 见 图。桥 梁 主拱 肋 采 用 倒形 截 面，混 凝 土 强 度 等 级 为。拱 波 采 用混 凝 土，厚 度。拱 波 为 圆 弧形，半 径 。拱 板 现 浇 并 作 为 折 线 形。在 拱板 上 方 由 下 往 上 依 次 为 填 筑 浆 砌 片 石、泥 结 碎 石 调 平 层、厚水 泥 混凝 土 路 面、沥 青 混 凝 土 磨 耗 层。桥 梁 的 人行 道 板 采 用 悬 挑 挑 梁 的 形 式 支 撑，挑 梁 横 桥 向 通长，纵 桥 向 间 距 为 。墩 台 均 采 用 扩 大 基 础，支 撑 于 天 然 土 基 上。该 桥 在 检 测 中 被 评 定 为 三 类 桥 梁。桥 梁 的 主图某 双 曲 拱 桥 立 面 布 置图某 双 曲 拱 桥 跨 中 横 断 面要 病 害 集 中 在 桥 面 系 及 拱 上 建 筑。桥 面 铺 装 存 在 大量 的 纵、横 向 裂 缝。横 向 裂 缝 基 本 上 横 桥 向 通 长，分 布 规 律 性 较 强，多 位 于 人 行 道 挑 梁 附 近。桥 梁 防水 层 整 体 完 全 失 效，在 桥 面、填 料、主 拱 圈 中 存 在明 显 的 渗 水 通 道，导 致 钢 筋 混 凝 土 构 件 锈 胀、混 凝土 剥 落 现 象 普 遍。桥 梁 拱 波 局 部 存 在 纵 向 开 裂，裂 缝 基 本 上 位 于 拱 波 的 中 部 位 置，开 裂 处 存 在 明显 的 析 白 现 象，典 型 病 害 见 图。虽 然 荷 载 试 验 表明 桥 梁 基 本 上 处 于 弹 性 工 作 状 态，但 是 耐 久 性 病害 发 展 至 结 构 性 病 害 已 经 显 现，必 须 尽 快 处 治。（）桥 面 铺 装 裂 缝（）拱 脚 渗 水（）拱 肋 混 凝 土 纵 向 开 裂图某 双 曲 拱 桥 典 型 病 害 照 片第期韩 宜 康：某 多 跨 双 曲 拱 桥 改 造 设 计 关 键 技 术 总 体 改 造 设 计 思 路基 于 桥 梁 的 检 测 状 态，结 合 计 算 结 果，总 体上 采 用“减 重、控 载、提 高 耐 久 性”的 综 合 处 治方 案，通 过 改 造 设 计 及 管 理 措 施 保 证 桥 梁 结 构 及运 营 安 全。（）拱 上 建 筑 改 造 以 减 轻 恒 载。既 有 双 曲 拱桥 为 空 腹 式，相 对 于 板 式 拱 上 建 筑 恒 载 较 大。采用 厚 度 的 连 续 板 式 拱 上 建 筑 后 平 均 每 延 米 降低 拱 上 建 筑 物 。对 于 拱 顶 实 腹 段 采 用 轻 质混 凝 土 材 料 换 填 后，恒 载 相 应 降 低 约 。仅 拱 上 建 筑 改 造 后 单 跨 可 降 低 恒 载 。（）构 件 加 固 以 保 证 桥 梁 安 全。拱 上 建 筑 改造 方 案 中，主 拱 圈 的 受 力 状 态 基 本 保 持 不 变；恒载 分 布 的 变 化 对 主 拱 圈 受 力 影 响 相 对 较 小。但 是拱 上 构 件 中 横 隔 墙 的 受 力 发 生 明 显 变 化。改 造 前由 于 腹 拱 的 存 在，横 隔 墙 纵 桥 向 受 力 基 本 平 衡，横 隔 墙 仅 承 受 垂 直 向 下 的 压 力。改 造 后 在 横 隔 墙顶 部 放 置 了 板 式 橡 胶 支 座，在 冲 击 力、温 度 荷 载等 作 用 下，横 隔 墙 顶 部 存 在 水 平 作 用 力。应 充 分评 估、计 算 构 件 受 力 模 式 变 化 对 安 全 的 影 响 并 采取 措 施 保 证 各 构 件 安 全。（）加 强 耐 久 性 设 计、延 长 构 件 使 用 寿 命。桥 梁 构 件 耐 久 性 病 害 发 展 较 严 重，应 采 取 有 效 的防 护 措 施 以 提 高 耐 久 性。改 造 设 计 关 键 技 术桥 梁 维 修 改 造 设 计 维 持 原 设 计 荷 载 标 准（汽级）不 变。拱 上 建 筑 改 造 设 计（）拱 上 建 筑 拆 除。桥 梁 为 连 拱 体 系，既 有拱 上 建 筑 拆 除 应 遵 循 对 称 均 衡、由 上 而 下 的 原则，以 减 小 拱 脚 水 平 推 力。横 桥 向 分 期 进 行 改造，一 期 工 程 拆 除 外 侧 各 范 围，保 留 中部 范 围 作 为 施 工 及 临 时 交 通 通 道；二 期 工 程则 在 外 侧 改 造 完 成 后 进 行 中 间 部 位 的 改 造 施 工，既 保 证 横 桥 向 对 称 施 工，又 有 效 地 降 低 了 每 期 拆除 恒 载 量、拱 脚 水 平 推 力，有 利 于 保 证 结 构安 全。（）连 续 行 车 道 板 设 计。改 造 前 后 桥 面 线 形应 一 致，并 应 与 引 路 顺 接，因 此 应 以 现 状 桥 面 高程 为 基 准 由 上 往 下 规 划 各 结 构 规 格。行 车 道 板 采用 钢 底 模 现 浇 混 凝 土 行 车 道 板，在 桥 跨 范 围 内 连续，支 撑 于 挑 梁 上，跨 径 组 合 为 。在 跨 中 实 腹 段，行 车 道 板 与 拱 顶 的 填 料刚 性 连 接 为 整 体，改 造 后 半 立 剖 面 见 图。图改 造 后 半 立 剖 面 行 车 道 板 在 支 点 处 厚 度 为 ，在 跨 中位 置 为 ，变 截 面 长 度 为 。钢 底 模厚 度 为，其 中 预 留 锈 蚀 余 量。钢 底 模上 方 设 置 直 径 剪 力 钉，布 置 间 距 为 。行 车 道 板 内 设 置 双 层 钢 筋 网，钢 筋 布 置间 距 为。行 车 道 板 构 造 见 图，跨 中 及 支 点承 载 能 力 见 图、图。经 计 算，行 车 道 板 各 方 面性 能 良 好，满 足 相 关 规 范 要 求。施 工 时 钢 底 模、剪 力 钉、钢 筋 网 分 块 组 装 为 整 体，要 求 剪 力 钉 与钢 筋 网 逐 个 点 焊 连 接，以 保 证 满 足 吊 装 刚 度 要求。钢 底 模 铺 设 并 连 接 为 整 体 后，行 车 道 板 混 凝土 采 用 现 浇 的 方 式 成 型。即 单 跨 桥 面 纵 向 行 车 道 广 东 交 通 职 业 技 术 学 院 学 报第卷板 包 括 跨 中 实 腹 段 桥 面 一 次 浇 筑 成 型，具 有 非 常好 的 整 体 性。改 造 设 计 一 方 面 不 破 坏 拱 桥 原 有 的防 水 设 计，另 一 方 面 增 强 桥 面 的 排 水 能 力。改 造后 单 跨 形 成 为 整 体 板 结 构，防 水 性 显 著 增 强。每间 隔 设 置 一 对 泄 水 管 以 增 强 排 水 功 能，结构 的 耐 久 性 提 高。图钢 底 模 现 浇 混 凝 土 行 车 道 板 构 造图跨 中 承 载 能 力 内 力 包 络 图注：荷 载 组 合 为 恒 载 活 载 正 温 度 梯 度。图支 点 承 载 能 力 内 力 包 络 图注：荷 载 组 合 为 恒 载 活 载 负 温 度 梯 度。（）横 隔 墙 加 固 及 支 座 类 型 比 选。行 车 道 板下 方 设 置 了 板 式 橡 胶 支 座 弹 性 支 撑。单 排 横 桥 向布 置 间 距 为，合 计块。在 支 座 选 型 方 面，除 了 支 座 本 身 的 承 载 能 力 外，还 需 考 虑 横 隔 墙 的受 力。项 目 中 墩 顶 横 隔 墙 高 度 达 到 ，宽 度仅 为 。根 据 公 路 圬 工 桥 涵 设 计 规 范 ，规 则 砌 块 砌 体 采 用砂 浆 时，通 缝 破 坏 的 弯 曲抗 拉 强 度 设 计 值仅 为 。当 采 用 普通 的 板 式 橡 胶 支 座 时，由 于 水 平 摩 擦 阻 力 大 导 致横 隔 墙 根 部 附 加 弯 矩 显 著 增 大，根 部 出 现 较 大 的拉 应 力，横 隔 墙 根 部 计 算 应 力 最 值 见 表。采用 聚 四 氟 乙 烯 滑 板 支 座 时，可 显 著 降 低 附 加 弯矩，但 是 根 部 依 然 处 于 拉 压 临 界 状 态。基 于 此 将墩 顶 横 隔 墙 增 大 截 面 宽 度 至 。表横 隔 墙 根 部 计 算 应 力 最 值 统 计类 别摩 擦 系 数摩 阻 力 摩 阻 附 加 弯 矩（）应 力 最值 普 通 橡胶 支 座 聚 四 氟乙 烯 板 注：表 中 压 应 力 为 正，拉 应 力 为 负。横 隔 墙 加 固 及 挑 梁 改 造（）墩 顶 横 隔 墙 增 大 截 面 加 固。墩 顶 横 隔墙 采 用 增 大 截 面 法 进 行 加 固。既 有 砌 体 表 面 应 彻底 凿 毛 至 新 鲜 砌 体 外 露；同 时 表 面 按 照 间 距 、梅 花 形 布 置 的 原 则 植 入 钢 筋，植 入 深 度。增 大 截 面 内 钢 筋 网 间 距 为 ，竖 向 钢 筋 同 时 应 按 照 构 造 深 度 要 求 植 入主 拱 圈 内，植 入 钢 筋 应 与 钢 筋 网 点 焊 连 接 为 整体。为 保 证 混 凝 土 浇 筑 质 量，采 用 细 粒 式 自 密 实混 凝 土。（）横 隔 墙 接 高 及 挑 梁 改 造。横 隔 墙 接 高 是保 证 桥 面 线 形、支 撑 行 车 道 板 的 需 要。横 隔 墙 接高 同 样 分 两 期 进 行 并 与 上 部 结 构 改 造 同 步。既 有横 隔 墙 顶 面 植 入 钢 筋 并 接 长 后 设 置 钢 筋 网；新 旧混 凝 土 接 触 面 凿 毛 以 增 强 新 旧 混 凝 土 粘 结。横 隔墙 接 高 改 造 构 造 见 图，横 隔 墙 钢 筋 断 面 见 图。接 高 后 在 横 隔 墙 的 外 侧 现 浇 悬 臂 牛 腿 以 代 替 原 有结 构 的 人 行 道 挑 梁。现 浇 悬 臂 牛 腿 为 钢 筋 混 凝 土结 构，悬 臂 长 度 为 ，根 部 高 度 为 。挑 梁 内 主 筋 直 径，采 用级，按 照间 距 布 置。第期韩 宜 康：某 多 跨 双 曲 拱 桥 改 造 设 计 关 键 技 术 图横 隔 墙 接 高 及 挑 梁 改 造 构 造图横 隔 墙 钢 筋 断 面小 结改 造 后 桥 梁 已 经 运 营 超 过年，总 体 上 运 行状 态 良 好、行 车 舒 适 性 较 高。运 营 期 内 定 期 检 测双 曲 拱 桥 挠 度 未 见 明 显 降 低，刚 度 测 试 结 果 偏 差保 持 在以 内，拱 波、拱 肋 等 重 点 部 位 均 未 出现 开 裂 情 况。通 过 工 程 实 践 以 及 对 改 造 设 计 的 总结 形 成 了 如 下 主 要 结 论。（）连 续 板 式 拱 上 建 筑 改 造 法 能 够 较 大 幅 度降 低 双 曲 拱 桥 拱 上 建 筑 恒 载，间 接 提 高 了 桥 梁 的承 载 能 力。该 方 法 尤 其 适 用 于 主 拱 圈 受 力 状 态 良好、拱 上 建 筑 性 状 较 差 的 拱 桥 改 造。采 用 钢 底 模 现 浇 混 凝 土 行 车 道 板 能 够 有 效 减少 工 序、降 低 工 程 量、缩 短 工 期；能 够 有 效 提 高桥 面 板 的 整 体 性 和 行 车 舒 适 性。类 似 工 程 项 目 中建 议 推 广 应 用。（）改 造 时 部 分 杆 件 的 受 力 特 征 发 生 较 大 变化，如 改 造 前 后 双 曲 拱 桥 的 横 隔 墙 受 力 特 征 等，应 掌 握 每 个 杆 件 的 受 力 及 变 化 特 征，在 分 析 计 算的 基 础 上 采 取 针 对 性 的 改 造 措 施 以 保 证 桥 梁 结 构安 全。（）对 称 均 衡 施 工 是 双 曲 拱 桥 改 造 的 重 要 原则，且 纵 横 桥 向 均 应 遵 守。纵 桥 向 应 与 新 建 施工 逆 序 进 行；横 桥 向 应 对 称 分 期 施 工。该 施 工 方案 能 够 降 低 施 工 过 程 中 公 交 水 平 推 力 及 各 拱 间 的推 力 差，有 利 于 双 曲 拱 桥 结 构 安 全。参 考 文 献：中 华 人 民 共 和 国 住 房 和 城 乡 建 设 部混 凝 土 结 构 设 计规 范：北 京：中 国 建 筑 工 业 出 版社，中 华 人 民 共 和 国 交 通 部公 路 圬 工 桥 涵 设 计 规 范：北 京：人 民 交 通 出 版 社，范 立 础桥 梁 工 程 北 京：人 民 交 通 出 版 社，吴 跃 梓改 造 拱 上 建 筑 加 固 双 曲 拱 桥 的 技 术 探 讨 合 肥 学 院 学 报：自 然 科 学 版，（）：谌 润 水，周 锦 中双 曲 拱 桥 加 固 改 造 成 套 技 术 北京：人 民 交 通 出 版 社，