雙曲拱橋加固方法研究

摘 要：文章對雙曲拱橋的常見加固方法進行了總結(jié)，結(jié)合福建省連江縣陀市橋加固改造工程，采用Midas建立有限元分析模型，對加固后的橋梁承載能力進行驗算，表明該橋加固方法可行。

關(guān)鍵詞：雙曲拱橋；加固；建模

1 引言

雙曲拱橋是六十年代中期我國首創(chuàng)的一種新橋型，以其施工便捷、造價低、造型美觀等優(yōu)點，出現(xiàn)后即得到了迅速的推廣應(yīng)用。但由于設(shè)計等級低，鋼材用量少，橫向聯(lián)結(jié)能力及結(jié)構(gòu)整體性能差等不足，在長期大交通量、重荷載運營情況下，大部分雙曲拱橋都發(fā)生不同程度的結(jié)構(gòu)病害，許多已成為了危橋。既有雙曲拱橋加固是確保交通的重要任務(wù)。本文主要介紹雙曲拱橋常用的加固方法，結(jié)合陀市橋加固改造工程，提出合理的加固方案。

2 雙曲拱橋加固方法

2.1 增大截面法

該法是加固雙曲拱橋最常用的方法，其采用與主拱圈相同的鋼筋混凝土，對拱肋或同時對拱肋及拱板等進行包裹從而增大了原結(jié)構(gòu)的受力截面積及截面配筋率，達到增加構(gòu)件承載力、截面強度及抗裂性及構(gòu)件穩(wěn)定性的目的，這種方法加固的同時也可以對已發(fā)生的部分裂縫進行修補。

增大截面可設(shè)計為單側(cè)、雙側(cè)或三側(cè)加固，以及四周外包形成箱形截面加固，或是在拱背上澆筑等高鋼筋混凝土層，可分為僅以增大主拱圈截面為主的加固以及以加配受力鋼筋為主的加固，或者是采用兩者相結(jié)合的加固。

2.2 改變拱上自重及結(jié)構(gòu)體系

該法是改善由于自重過大或地基承載能力不足而使主拱圈發(fā)生變形的受力狀況，來達到加固的目的。常見有以下幾種方法：

（1）調(diào)整拱上填料。減小拱頂斷面高度，拆除拱上立柱及腹拱圈以外的拱上建筑，采用鋼筋混凝土澆筑的整體橋面板，用輕型混凝土填料來增強拱上建筑與橋面板的聯(lián)系從而增強了拱上建筑的整體剛度。（2）改拱上建筑為梁式體系。拆除拱上立柱以外的拱上建筑，增加拱上立柱高度，在拱上立柱之間架設(shè)輕型鋼筋混凝土空心或Ⅱ形橋面板，變拱上建筑為梁式結(jié)構(gòu)，使拱上建筑橫載自重大大減小。（3）改拱上建筑為桁架體系。清除所有拱上建筑，變?yōu)殍旒芄皝頊p少拱上建筑自重，使全部恒載及活載引起的抽壓力主要由主拱圈承擔。但清除拱上建筑的時候保留拱上立柱的腳鋼筋以方便桁架節(jié)點固定到主拱圈，一般采用下節(jié)點較少的三角形桁架腹桿；如果拱上立柱沒有腳鋼筋，在變桁架時將會有困難，這時可改造為剛架拱，剛架拱在空腹范圍主拱圈內(nèi)的彎矩比無鉸雙曲拱橋要小的多，拱腳彎矩也減小的特別多。

2.3 粘貼加固法

該法一般有粘貼鋼板加固法、粘貼碳纖維加固法等。其原理是將比強度高的鋼板或碳纖維通過環(huán)氧樹脂等建筑結(jié)構(gòu)膠，粘貼在混凝土受彎構(gòu)件的表面，使其與原結(jié)構(gòu)共同承受荷載，從而提高構(gòu)件承載能力及減少裂縫的發(fā)展。

2.4 加強拱肋間橫系梁

當橫向拱肋橫隔板破損嚴重或聯(lián)系較弱時，可采用在原橫系梁邊上加一根橫系梁或擴大拱肋間橫系梁的截面來加強橫向整體性和拱肋抗扭剛度，此加固方法可與增大拱肋截面法一起采用。

3 陀市橋加固實例

3.1 橋梁概況

陀市橋位于福建省連江縣境內(nèi)縣道195線K32+734處，全長175m。為5跨30米的鋼筋混凝土雙曲拱橋，主拱圈全寬為7.80米，采用1/8的凈矢跨比，拱軸系數(shù)為m=4.32，橋面凈寬為7+2×0.25米。腹拱圈為圓弧拱，跨徑為3.45米，凈矢跨比為1/3。公路等級為四級，原設(shè)計荷載為汽車-10級，履帶-50，人群荷載3kN/m2。

3.2 橋梁現(xiàn)狀

該橋在經(jīng)過多年的營運后，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了各種病害，且由于橋梁設(shè)計時對公路的交通發(fā)展趨勢估計不足。經(jīng)福建省交通科研所檢測，評定該橋當前整體技術(shù)狀況為三類橋，存在安全隱患。要提高該橋荷載等級，必須進行加固改造。

3.3 加固方案

經(jīng)過必選，采用改雙曲拱截面為封閉箱形拱的方法進行加固。該法其實質(zhì)是增大截面加固法，利用懸吊移動模板在肋下現(xiàn)澆施工，對拱肋只需在底部鉆孔植筋，對拱肋破壞較小，同時這種方法能較大提高主拱圈的整體性。

圖1 改為箱拱的拱橋橫截面圖

3.4 加固方案驗算

3.4.1 建立模型。本文采用橋梁專用有限元軟件Midas，把拱肋、拱板及橫隔板分開來建模，其中拱肋和橫隔板用空間梁單元模擬，拱板用梁格法建模，拱肋和拱板之間的聯(lián)結(jié)用剛臂單元剛性聯(lián)結(jié)。建立全橋有限元模型如圖2。

圖2全橋模型

3.4.2 計算結(jié)果分析。根據(jù)公路Ⅱ級的荷載進行加載，計算如下。

表1 加固后主拱圈截面強度驗算

計算結(jié)果分析表明，加固后的主拱圈正截面抗壓強度、偏心距滿足安全要求。加固后的橋梁能滿足公路Ⅱ級的荷載等級標準。

4 結(jié)束語

陀市橋已于2011年底完成加固施工，恢復(fù)正常通行。通過對陀市橋的加固實踐說明，雙曲拱橋具有較大的承載潛力，采用合適的加固方法對危舊雙曲拱橋進行加固改造，可以提高雙曲拱橋的承載能力，相比新建橋梁，不僅節(jié)省了投資，而且最大限度降低對當?shù)厝嗣裆钣绊?，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

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