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石拱桥加固及拱上建筑安全拆除方法

[日期:2013-08-26]
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摘要:论文以白马溪大桥为例,对石拱桥出现的问题进行了分析,并介绍了加固和拆除方法,拱上建筑拆除方案,给同类的桥梁进行加固提供了参考。
    关键词:石拱桥;建筑;加固;安全拆除

    白马溪大桥于1991年建成通车,该桥为1跨净50m空腹式石拱桥,全长92.5m,桥面宽为净-7+2×0.75(人行道)+2×0.25(栏杆)=9.0m。主拱圈厚1.2m,宽8.5m,净矢跨比为1/5;拱上建筑为6孔净4m圆弧拱,腹拱圈厚0.4m,宽8.5m,净矢跨比亦为1/5,拱上横墙厚1m;两桥台内各设1孔10m圆弧引拱,拱圈厚0.7m;桥面铺装为素混凝土,人行道及栏杆采用石料砌筑。

    1、主要病害及其原因分析
    1.1 主要病害
    1)主拱圈:主拱圈采用粗料石砌筑而成,总体质量较好,局部有砌缝砂浆脱落、松动现象。
    2)腹拱圈:腹拱圈采用片石砌筑而成,变形严重,已近乎呈三角形,拱顶附近拱腹面出现大面积砌石掉落的空洞;砌缝砂浆不饱满,空洞较大、较多。
    3)横墙:临近两拱脚横墙均出现横向裂缝。
    4)桥台:桥台引拱拱圈局部存在砌缝砂浆不饱满、脱落现象。
    5)桥面铺装:桥面铺装断裂、损坏严重,腹拱顶出现严重沉陷。
    1.2 原因分析
    1)由于陆渔一级公路(即省道鸦来路)扩建封闭施工,该陆渔路(X224)现成为五峰、来凤、鹤峰等地进出宜昌的主要通道,导致该路段交通量猛增;加之年初以来,五峰境内运输铁矿石等重载、超载车辆迅速增加,致使该桥不堪重负,病害急剧出现。
    2)根据收集资料及现场调查发现,砌筑腹拱圈的片石质量较差,大小不一,砌缝砂浆不饱满,强度较低,经重载、超载车辆反复作用后,出现大面积砌石掉落现象。
    3)素混凝土桥面铺装强度较低,经重载车轮反复作用后,断裂、破损、沉陷严重,致使腹拱圈应力集中,变形严重,同时腹拱圈的变形加剧了桥面铺装的损坏,形成恶性相互损坏。
    4)由于桥面铺装损坏的同时也造成拱上防水层损坏,致使腹拱圈积水、渗水严重,恒载增大,砌缝砂浆粘结力降低,出现脱落。
    5)桥台处端腹拱未设铰,在长期的温度应力反复作用下导致腹拱圈拱脚开裂。

    2、加固方案
    2.1 总体加固方案。鉴于该桥桥面铺装及腹拱圈损坏严重,难以修补加固,故本次加固设计拟定为拆除桥面系、拱上填料及腹拱圈后,采用C30钢筋混凝土重新恢复腹拱圈,采用C15素混凝土作拱上填料,并设置防水层,采用C40双层钢筋网混凝土重新恢复桥面铺装。
    2.2 加固顺序
    1)拆除人行道、栏杆及桥台拱上侧墙帽石,凿除桥面铺装及腹拱圈上填料,拆除腹拱圈,凿除腹拱圈拱座;对拱上及桥台处填料不密实或较差的部分进行清理。
    2)在拱上横墙及桥台墙墙植入锚固钢筋连接,浇筑C30钢筋混凝土腹拱圈拱座。
    3)现浇C30钢筋混凝土恢复腹拱圈。
    4)采用C15片石混凝土修建护拱及腹拱圈上侧墙。
    5)采用拱上填料C15素混凝土对挖除填料的部分进行回填处理。
    6)再在上面设置防水涂料进行防水处理。
    7)新建24cm厚C40防水混凝土铺装。
    8)新建人行道系。
    9)对拱上横墙、桥台及桥台10m跨拱圈上松动的勾缝砂浆进行清除,对缝隙采用M10水泥砂浆进行灌注,最后采用M10水泥砂浆对缝隙进行勾缝处理。
    10)对主拱圈空腹段拱背进行清理,采用C25喷射混凝土对其封闭处理,防止风化、侵蚀。

    3、拱上建筑拆除方案
    3.1 施工工序修复桥台拱圈→主拱圈上布置观测点→对称、均衡拆除拱上建筑→对称均衡新建拱座及腹拱圈→对称、均衡修建护拱、换填填料→铺设防水层→浇筑调平层→新建桥面铺装→恢复人行道系→封闭主拱圈空腹段拱背(可在腹拱圈支架拆除后施工)。
    3.2 腹拱圈拆除方案
    根据拱桥建造时的加载过程及拱桥受力特点,拆除施工顺序即为建造过程的逆顺序;该桥采用搭设支架拆除方案,即在腹拱圈下搭设支架,对称拆除拱上结构,在拆除过程中,由于支架的弹性和非弹性变形是不可避免的,因此,在拆除拱上结构的过程中,应确保拱圈的稳定,并加强对主拱圈的监控;拆除该桥拱上建筑按照以下工序来进行:
    1)在腹拱圈下架设支架及拱盔,并加强拱上横墙横向支撑。
    2)主拱圈上布置观测点(拱顶、1/4点、3/4点、拱脚),在拆桥过程中采用水准仪和全站仪观测支架的沉降及横向位移和主拱圈的挠度及横向位移情况。变形过大则暂停施工,查找裂缝,分析研究,查找原因,采取压载或调整卸载顺序等措施,待稳定后方可继续拆除。
    3)由两头向中间,纵向、横向对称均衡拆除栏杆。
    4)由两头向中间,纵向、横向对称均衡拆除人行道。
    5)纵向由两头向中间,横向分条(每1m为1条),由左右侧向路中线方向,纵向、横向对称均衡清除桥面混凝土铺装。
    6)分层(每10cm为一层)分条(每1m为1条),纵向由两头向中间,横向由左右侧向路中线方向,纵向、横向对称均衡拆除腹拱圈上护拱及填料。
    7)横向分条(每50cm为1条),先拆除端腹拱,后拆除中腹拱,由左右侧向路中线方向,纵向、横向对称均衡拆除腹拱圈。
    3.3 主要施工方法
    1)用人工对称拆除人行道、栏杆,并运至指定地点进行破碎清理。
    2)现场根据实际情况,采用人工凿除桥面铺装砼,人工运出桥台后外运至指定地点。
    3)纵、横对称、均衡拆除填料及空腹段侧墙,人工运出桥台后再用1吨机动翻斗车外运至指定地点。
    3.4 变形观测及应急措施方案
    1)观测点布置
    a.拱顶观测点:在拱顶桥面上布置2个观测点,观测拱顶的沉降和裂缝发生、发展情况。
    b.主拱圈1/4、3/4处观测点:在拱圈的1/4、3/4点各布置2个观测点,观测1/4、3/4两处的沉降是否同步,检测两侧卸载的平衡情况,同时观测该处表面是否有裂缝。
    c.拱脚裂缝观测点:在拱脚上各布置2个观测点,主要观测表面裂缝发生发展情况及拱脚水平位移情况。
    d.横向位移观测点:在空腹段位置布置4个观测点,挂4个垂球根据地面投影测量主拱圈的横向位移。
    2)变形观测人员、设备配置及观测方法
    a.仪器设备:精密水准仪一台,垂球4个;配专职测量员1名、尺工1名。
    b.沉降观测:用精密水准仪观测主拱1/4、3/4点及拱顶的沉降,观测频率一个班一次,在工人下班后观测,另在拆除一段前后各增加一次。
    c.裂缝观测:1/4、3/4及拱顶、拱脚的裂缝随时监控,每次工人下班后要仔细检查一边。
    d.横向位移观测其在地面上的投影是否有位移。
    3)施工过程与观测协调在观测时,要停止上部一切拆除工作,保证观测人员的人身安全和数据准确。根据弯矩影响线拆除吊装过程中重点观察:
    a.拆除1/4、3/4点位置时,在该位置产生负弯矩,拱顶产生正弯矩,注意观测1/4、3/4点位处拱肋上部是否有裂缝,拱顶是否有隆起现象及拱顶高程是否有上升现象。
    b.拆除拱顶位置时,在拱顶产生负弯矩,1/4、3/4位置空腹段产生正弯矩,观察拱顶主拱圈是否有裂缝及沉降情况,1/4、3/4位置的沉降情况。
    4)观测结果分析及应急措施
    1/4、3/4位置沉降差达1cm时立即停止相关可能继续产生沉降不均的拆除工作,观测相应可能产生裂缝的位置,确保无裂缝后才能施工。如有裂缝且超过0.3mm,请专家到现场分析解决。横向位移超过1cm时立即停止施工,查找裂缝,请专家到现场分析解决。拱圈出现裂缝且发展较快,应立即根据弯矩影响线在对应位置加载和卸载。以减缓裂缝发展。具体如拱顶发生裂缝且观测点显著升高,应立即在拱顶压载,1/4、3/4点加快卸载速度。如拱顶下沉,1/4、3/4点位置发生裂缝,应加快拱顶实腹段卸载,空腹段加载或停止施工。同时上报,请专家到现场分析解决。如拱脚出现裂缝,应立即停工,撤离施工人员。
    3.5 新建腹拱圈
    1)检测支架及横向支撑,并适当加强,调整拱盔至设计位置。
    2)新建腹拱圈前对主拱圈顶进行压顶处理。
    3)新建腹拱圈时,应对称、均衡施工。
    4)拱上横墙不能承受拱圈的恒载单向推力,因此相邻三孔需同时浇筑,两侧也应对称施工。
    5)腹拱圈强度达到设计的情况下方可卸落拱架。
    6)施工腹拱圈时,在其拱脚处每孔预埋6根φ5cmPVC泄水管。

    4、结语
    桥梁加固应充分考虑桥梁现状情况,正确分析原因,从而确定合理的加固方案。该桥加固完成后进行了荷载试验,各工况下,所测得的结构各控制截面的主要测点位移、控制应变的结构校验系数均小于1.05。强度和竖向刚度均满足设计和使用要求。该桥自加固完成后投入一年多的时间,经过多次实地观察该桥运营良好,达到了加固的目的。

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