清平磷矿桥

德阳清平磷矿桥地处清平深山区内，是清平磷矿矿区至德阳公路上的一座老石拱桥，主桥净跨55m。该桥建成于1965年，至今已安全运营37年。该石拱桥是连接矿区与外界的一条重要交通要道，无论是矿区内生活物资的运进，还是矿区内矿石向外的运出，都必须经过该大桥。该大桥的另一重要特点是桥上所过车辆大部分为运输磷矿的重载车，对桥的承载能力要求较高。因此该大桥的安全使用，对于保障矿区的正常生活和生产都起着至关重要的作用。（详见图3－31）

图3－31　震后全桥图

（一）桥梁病害及损伤状况检测

对清平磷矿桥进行震后检测，根据检测及评估报告，原桥存在以下损伤和缺陷。

1．桥梁各部分损伤情况

（1）总体状况。（全桥编号如图3－22所示）

图3－32　全桥编号图

根据现场检测，磷矿桥在地震后受到了一定影响，其中靠近磷矿一侧因地震原因有大量石块从山上落下堆积在拱脚附近，有的石块甚至滚到了主拱背上，如图3－32、图3－33、图3－34、图3－35所示。

图3－32　拱脚被掩埋

图3－33　矿区一侧边拱石块堆积

图3－34　主拱圈拱脚拱背处石块堆积

图3－35　矿区一侧桥面石块堆积

（2）主拱圈受损情况。

根据现场检测，由砌块组成的主拱圈及拱上建筑在靠近矿区一侧受地震后滚落石块影响，多处受到砸伤，主拱圈及腹拱、横墙也出现了一些裂缝，为便于叙述，将桥跨各部分编号如图3－36所示，各部分详细情况如下。

图3－36　主拱圈缺损位置示意图

①主拱圈靠近下游拱脚处被山上滚落的石块砸坏，损伤带长约6m，宽和深最多大约0．4m，如图3－37所示。

图3－37　主拱圈被砸缺损

②裂缝。

主拱圈裂缝较少，根据现场检测，主要有两处：靠近矿区拱脚处侧面一条和靠近矿区1／4侧面及拱背处。裂缝基本集中在靠近矿区1／4处，宽度在0．15～1．5mm之间，裂缝长度在30～300cm之间，如图3－38、图3－39、图3－40所示。

图3－38　主拱圈拱脚侧面裂缝

图3－39　主拱背上裂缝，于A4腹拱位置

图3－40　矿区侧1／4主拱圈侧面裂缝

裂缝位置与宽度等详见表3－8。

表3－8　主拱圈裂缝统计表

（3）边拱及腹拱受损情况。

①边拱被石块砸坏的地方主要在靠近矿区下游侧的A1拱圈上，如图3－41、图3－42所示。

图3－41　边拱受损示意图

图3－42　边拱被砸损伤图

②边拱及腹拱在2003年加固处理中张贴在拱顶附近的芳玻韧布多数都受到了地震影响而部分脱落，A1、A2及B4拱顶的芳玻韧布都受到了破坏而脱落，如图3－43所示。

图3－43　边拱及腹拱顶芳玻韧布脱落图

③裂缝。

各边拱及腹拱受地震影响，原本是三铰拱或两铰拱的在地震中受到挤压，在拱脚位置混凝土铰均有挤出现象，拱脚也有混凝土破损，具体情况如图3－44、图3－45、图3－46、图3－47、图3－48、图3－49所示。

图3－44　A1边拱顶通缝

图3－45　A2腹拱混凝土铰损坏

图3－46　A3顶部通缝

图3－47　A4腹拱脚处混凝土缺损

图3－48　B1边拱裂缝（长2．7m，宽2～8mm）

图3－49　B2拱脚处混凝土铰损坏

（4）横墙。

①横墙套箍破坏。

a1及a2横墙的套箍被破坏，其中a1横墙的三道套箍均被砸坏，且有两道被掩埋；a2横墙最下面那道套箍被砸坏，其余完好。如图3－50所示。

图3－50　横墙套箍损坏

②墙体损坏。

a1及a2横墙在套箍被砸坏的同时墙体本身也受到了损伤，如图3－51所示。

图3－51　横墙墙体损坏

③裂缝。

a1横墙靠矿区侧有三条裂缝，分别是1．5m长、2mm宽，0．9m长、2～3mm宽，0．5m长、2mm宽，均为竖向，如图3－52、图3－53所示。

图3－52　横墙裂缝

图3－53　绵竹方向桥台裂缝

（5）基础。

由于地震影响，绵阳方向基础防护混凝土被拉裂，但原先的拱脚基础未开裂，只是2003年加固时外包的混凝土开裂了；矿区侧的基础被震后石块掩埋。如图3－54所示。

图3－54　绵阳方向基础防护混凝土开裂

（6）桥面系。

①桥面铺装。

靠近磷矿区一侧的桥面约有20m左右的石块堆积，路面有被砸坏的情况，如图3－55所示。

图3－55　桥面石块堆积情况

②横挑梁。

靠近矿区一侧的桥面横挑梁被全部砸掉，桥面宽度与拱圈同宽，上游被破坏长度约25～30m，下游破坏长度约为25m，如图3－56所示。

图3－56　桥面系破坏情况

③人行道板及栏杆。

靠近矿区一侧的桥面人行道板和栏杆也被砸掉，如图3－57所示。

图3－57　路沿石破损情况

综上所述，本桥运营时间较长，其位置及作用都很重要，由于地震导致桥梁存在一定的损伤和结构缺陷，这些损伤和缺陷将降低桥梁的承载能力、使用性能和耐久性，必须采取一定的维修整治措施，提高桥梁的承载能力，增强桥梁的使用性能，延长桥梁的使用寿命。

（二）计算分析

1．计算分析参数的取值

主桥计算按汽－15、挂－80的荷载等级进行计算分析。计算中采用的结构尺寸以该桥实测为依据，石料的强度以《石料抗压强度试验报告》为依据。

计算参数的确定：根据《石料抗压强度试验报告》，石料标号为30号，其容重采用24kN／m3，拱背填料和两侧墙的平均容重以20kN／m3，桥面系按35cm厚计算，平均容重以22kN／m3计算。主拱拱顶实腹部分和腹拱部分填料重量采用梯形分布荷载加载，计算中体系温差按±15℃计入。

2．建模计算及应力分析

计算分析采用平面桥梁计算软件进行计算，全桥共划分118个单元，119个节点，计算模型如图3－58、图3－59、图3－60所示。

图3－58　全桥计算模型

图3－59　全桥计算模型几何外形图

图3－60　桥梁拱圈模型节点单元图（拱圈下面为单元号，上为节点号）

图3－61、3－62、图3－63显示了拱圈在正常使用极限状态下荷载组合I计算结果，图中数据为放大30倍后所显示的图形。

图3－61　正常使用极限状态荷载组合I最大弯矩

图3－62　正常使用极限状态荷载组合I最小弯矩

图3－63　正常使用极限状态荷载组合I弯矩包罗图

主拱圈在正常使用荷载作用下全截面处于受压状态，没有出现拉应力。使用荷载组合Ⅲ中，仅在节点101、102号处出现拉应力，最大拉应力σ拉＝0．132MPa＜0．84MPa，满足规范要求。

边腹拱的计算结果为：上、下缘的拉应力均较大，超过了规范要求，必须进行适当的加固处理，以满足通行计算荷载等级的要求。

3．结构分析结论

通过对全桥进行的有限元计算评估分析，可以得出以下结论：

（1）当通行汽－15、挂－80的荷载等级时，在使用荷载组合I和组合Ⅱ下，拱圈处于受压状态，没有出现拉应力。

（2）当通行汽－15、挂－80的荷载等级时，在使用荷载组合Ⅲ下，拱圈在5L／8截面（模型节点101、102）附近出现拉应力，最大拉应力σ拉＝0．132MPa，但满足规范要求。

（3）在通行荷载作用下，腹拱的上下缘应力均很大，为了保证该桥能够通行汽－15、挂－100的荷载等级，必须进行必要的加固处理。

（4）本桥主体结构的承载力较好，通过适当的加固处理，既有桥梁的承载力可以满足通行汽－15、挂－100的荷载等级的要求。

（三）维修加固方法

针对既有桥梁的损伤、缺陷及使用情况，按照恢复原荷载等级、节约投资资金、减小施工难度、缩短施工工期的原则，维修加固处理方案的主要目的是提高桥梁的耐久性、安全性和使用性，提高桥梁的承载能力以及对已存在损伤和缺陷的治理。根据以往的旧桥加固经验，结合业主的有关要求，对该桥的维修加固处理重点放在了提高原桥的承载能力、耐久性和提高桥面受力性能以及缺陷治理上，总结为以下几点：

第一，对在地震中受到损伤的部位进行修补和恢复，包括主拱圈、边拱及腹拱圈在地震中被砸坏部分的修补，桥面系横挑梁、桥面板、栏杆的恢复，在此基础上再进行全桥的加固处理。

第二，对检测中发现的各类裂缝进行密封和修补处理。对砌体裂缝，采用高压压注水泥砂浆的方法进行治理。对混凝土裂缝，若宽度小于0．15mm，采用改性环氧树脂胶泥进行封闭；对裂缝宽度大于等于0．15mm的混凝土裂缝，采用毕可法高压压注液态改性环氧树脂类化学胶液的方法处理，使之成为一体受力。

第三，根据计算分析，主拱肋截面的承载能力不足，为了提高主拱圈的承载能力，保证桥梁的安全，在空腹段的主拱肋采用套箍混凝土进行加固补强。为了保证施工质量，确保新老结构共同作用，套箍砼采用自密实微膨胀砼，厚度为20cm，并在拱肋表面上植筋以增加新老结构的黏结。

第四，依据《清平磷矿拱桥检测分析报告》，腹拱拱顶出现裂缝，各混凝土铰处出现挤压错动，根据计算分析，腹拱及边拱截面的承载能力不足，为了提高腹拱及边拱受力的整体性和承载能力，保证腹拱及边拱结构的安全，对腹拱及边拱拱圈采用U型套箍混凝土进行加固补强。为了保证施工质量，确保新老结构共同作用，套箍砼采用自密实微膨胀砼，厚度为15cm，并在腹拱拱圈表面上植筋以增加新老结构的黏结。