波纹钢板拱在石拱桥加固中的应用

张俊波 龙青华 宋振辉

湖北楚天联发路桥养护有限公司

摘    要：

石拱桥在我国有悠久的历史, 然而随着时间的推移, 石拱桥因为基础沉降、桥梁荷载变化、环境侵蚀出现了一定程度的病害, 甚至影响石拱桥的结构安全。波纹钢板拱因其特殊的材料特性、结构特性、工艺特点使得该结构在旧桥加固维修工程中发挥越来越重要的作用。本文依托具体工程论述波纹钢板拱在石拱桥旧桥加固维修中的施工方式, 其工程经验可作为类似工程的参考依据。

关键词：

道路工程; 旧桥维修加固; 波纹钢板拱; 石拱桥; 工程应用;

1、波纹钢板拱综述

1886年美国工人J.H.Wsaton首次申请钢波纹管的专利, 1892年W.Q.O’Neill购买波纹钢板的专利, 然后组建了首家钢波纹管工厂, 1896年美国交通部率先进行波纹钢板拱的适用性研究, 并首次应用于实际工程;1990年日本规范《波形钢管及波形型材》制定波纹管的设计规范, 钢波纹钢板拱的实际工程应用有了设计依据。在加拿大、美国等发达国家广泛采用了刚波纹钢板拱的应用。

同时韩国在吸取发达国家的成功设计、施工经验后, 在1997至2004年期间大量修建波纹钢板拱涵洞。我国于上世纪50年代, 在青藏公里修建中首次采用波纹钢板拱应用于紧急抢险工程, 经过二十多年的运营证明, 波纹钢板拱具有良好的服役特性。

2、波纹钢板拱加固石拱桥

2.1 石拱桥的特点

石拱桥由于其施工原料价格低廉, 取材容易与钢筋混凝土桥梁相比能节约大量的混凝土和钢材, 成本相对较低。

石拱桥施工工艺简单, 石拱桥修建技术容易被掌握, 有利于广泛应用, 同时石拱桥的拱形结构形式, 能将桥面竖向荷载转化为支承处竖向反力和水平推力, 水平推力的存在大大减小了拱桥内部弯矩, 使得拱桥内部主要承受压力。石拱桥的主要材料为石料, 石料具有良好的抗压承载能力, 因此石拱桥具有良好的承载荷载能力。

然而石拱桥具有较大的自重, 所产生的水平也较大, 由此提高了对石拱桥基础的要求, 尤其是当石拱桥产生基础沉降或者变形时, 桥梁所产生较大的附加弯矩, 同时石拱桥多采用无铰拱结构, 因水流冲刷掏空拱脚基础后会导致墩台基础下沉引起严重的拱圈开裂。

2.2 波纹钢板拱加固工艺的特点

波纹钢板拱加固工艺对旧桥进行加固一方面能节约成本, 另一方面能显著提高旧桥整体承载能力。波纹钢板拱采用工厂定制加工并采用热镀锌工艺进行防腐处理, 施工人员在现场拼装的方式进行施工, 原材料工业化程度高, 维修加固工程质量更有保障。

石拱桥的运营能力的提升一般采用拆除重建或加固维修两套方案, 相对于拆除重建方案, 采用维修加固方案不阻断交通、施工原材料工业化程度高大大缩短工期、施工噪音小、工程垃圾少、减少施工配套设施和施工机械用具的投入使得工程造价低。因此采用钢波纹板拱加固旧桥便于减少资金投入、环保、便民、施工工期短, 社会经济效益更加明显。

从材料的角度出发结合此工艺的特殊结构和功能特性可知:波纹钢板板拱具有明显的结构优势, 相对于普通简支结构而言波纹钢板拱结构承载能力更强, 经过热镀锌防腐处理后材料耐久性更好, 波纹钢板拱结构工业化程度高现场施工便利。

波纹钢板拱以其独特的材料特性、结构特性、工艺特点为旧桥的维修加固提供一个“经济、环保、安全”的新途径, 对未来道路桥梁建设、旧危桥维修加固既有重大意义。

3、依托工程

工程依托贺州市市政桥梁的维修加固工程, 该工程是贺州市市政管理局批准维修加固的工程, 该桥桥梁宽度为14.34米, 全长8.6米, 跨径6.7米, 该桥主拱圈为条石拱圈, 侧墙为浆砌片石, 桥台基础为扩大基础矢跨比为0.4。

图1 原石拱桥 

作为维修加固工程, 在满足原桥梁的结构受力和安全使用的前提条件下, 充分利用原桥梁的结构形式, 不影响原桥梁的造型, 同时为方便市民出行尽量不影响路面交通并缩短施工工期。这为波纹钢板拱的设计、施工、验收以及波纹钢板拱加固的可行性评估提供工程依托。

4、设计方案

(1) 新建基础之前在基础下设置60cm厚C20片石混凝土进行基础处理;

(2) 波纹钢板拱拱脚增设钢筋混凝土基础;

(3) 石拱桥拱下增设波高为55mm, 波距为200mm, 厚度为6mm的波纹钢板拱;

(4) 原石拱桥和波纹钢板之间间隙采用C35细石混凝土填充。

5、施工方案

旧桥加固流程包括:施工前准备→河道清淤→麻袋围堰→基础施工→基础定位放线→片石基础堆砌→绑扎基础钢筋、基础顶面导槽预埋钢板→增设基础模板→浇筑基础混凝土→拆除模板养护→钢波纹板拱材料进场→检验合格→桥梁一侧拼装, 边拼边拉拽→波纹钢板拱就位→支侧边模板→浇筑拱顶填充混凝土→拆除模板养护。

本文主要介绍波纹钢板拱的安装工艺, 其它过程省略。

5.1 波纹钢板拼装

本工程所采用的波纹钢板和高强螺栓在进场时提供合格证和检测报告, 在检测合格的条件下方可使用。

(1) 波纹钢板拱在安装前检查波纹钢板拱波性参数、拱形尺寸、防腐层完整程度;核对基础标高、尺寸;确定波纹钢板拱的位置、中心轴线、中心。

(2) 由下而上按照顺序拼装, 搭接长度为120mm, 搭接次序按照“上板盖下板”来拼装, 圆周向搭接方式采用错缝搭接, 连接孔采用短钢筋对正上下板的孔位, 对正后用插入套上垫圈的镀锌高强螺栓 (波谷处用凸垫, 波峰处用凹垫) , 用套筒扳手预紧螺栓, 现场安装如图2所示。

图2 波纹钢板现场吊装照片

(3) 圆周向现场拼装完成一拱波纹钢板时, 要现场测定截面形状, 当截面形状达到设计要求后再继续进行拼装, 不达到设计要求时应及时调整, 通过安装定位拉杆的方式固定拱形, 同时紧固螺栓, 完成顶部第一块波纹板的安装。

(4) 第一拱波纹钢板安装完成后, 以第一拱波纹钢板拱为支撑, 完成剩下波纹钢板拼装工作, 安装工作完成后用定扭矩扳手按扭矩340N·m±70N·m的标准依次紧固所有螺栓, 不得遗漏。同时所有螺栓应在混凝土填充前再次检查确保螺栓紧固。

(5) 为了确保螺栓扭矩达到设计要求, 在拱顶填充之前随机抽取波纹钢板拱纵向搭接缝上2%的螺栓, 按照设计要求紧固扭矩进行抽检, 如果检测结果显示有实验值超出给定的扭矩标准值, 则抽检纵向搭接缝上5%的螺栓, 若90%以上螺栓满足设计要求可认定合格, 反之则应上报有关检测单位重新复核设计, 以确定实际扭矩值能否满足要求。

(6) 波纹钢板拱搭接处采用防水材料 (密封胶或者环氧树脂砂浆) 对该部位进行防水处理, 防止连接处渗水。

5.2 波纹钢板拱推移就位

波纹钢板拱在桥梁外侧拼装完成后拉拽至桥梁底部, 采用边拼装边拉拽的方式进行施工。在波纹钢板拱拉拽过程中, 拱脚和导槽钢板之间存在一定摩擦力, 由于本次安装波纹钢板拱的长度不长, 采用手拉葫芦就可以将波纹钢板拱拉拽至桥底, 安装完成效果如图3所示。

当波纹钢板拱安装长度较长时, 建议采用卷扬机等大型拉拽设备安装波纹钢板拱, 同时可以在波纹钢板拱脚底部设置短圆钢筋, 进一步减小拱脚底部摩擦力。方能将波纹钢板拱安装就位。

图3 波纹钢板拱安装就位

5.3 拱顶混凝土浇筑填充

波纹钢板拱安装完毕后, 在拱桥两侧采用拼接木模板的形式进行侧边封闭, 并采用发泡止水剂对模板间隙进行填充, 防止在填充过程中发生漏浆的现象。

波纹钢板拱与原拱桥的间隙为16cm, 填充的间隙较小, 不便于采用振捣机械, 本次采用流动性合宜的细石混凝土对波纹钢板拱顶间隙进行填充, 由于原桥存在一定程度的损伤, 所以未采用在桥面开孔注浆的形式, 而采用自制导管的形式, 将导管伸入桥梁底部, 采用在桥梁两侧交替浇筑的形式对拱顶混凝土进行对称浇筑。在浇筑过程中, 通过铁锤敲击的形式实时监测细石混凝土浇筑填充的情况。浇筑完成后导管留在结构中, 不予以拆除。最终安装效果如图4所示。

图4 施工完毕

6、总结

石拱桥在我国具有特有的文化地位, 然而随着社会的进步, 桥面荷载情况发生变化, 桥梁的周边环境发生变化, 早期石拱桥已经不能满足安全通行的要求, 为保存古老桥梁而又提升原桥的承载力, 波纹钢板拱加固方案提供了好的加固途径。钢波纹板因其独特的材料特性、结构特性、工艺特点, 在小桥和涵洞的加固维修工程中逐渐受到业界的认可, 在道路桥梁维修加固中的应用发挥越来越重要的作用。

波纹钢板拱经过多年的发展, 波纹钢板拱加固工程技术在国外已经逐渐成熟, 韩国甚至已经提出新的波纹钢板结构形式——钢波纹板CBS钢合梁结构形式。然而我国钢波纹板拱加固工艺起步较晚, 实际工程中波纹钢板拱加固的相关力学性能尚不明确, 未来还有大量的工作需要广大工程界同仁一起努力探索。

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