雙曲拱橋維修加固可行性研究分析

【摘要】根據(jù)雙曲拱橋的特點(diǎn)，通過對(duì)雙曲拱橋的主要病害進(jìn)行成因分析，提出相應(yīng)的加固方案及加固工藝，并通過對(duì)案例的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算、分析，對(duì)比加固方案的可行性。

【關(guān)鍵詞】雙曲拱橋；病害分析；加固；方案可行性

雙曲拱橋以其施工便捷、造價(jià)低、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，六七十年代出現(xiàn)后即得到了迅速的推廣應(yīng)用。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通運(yùn)輸量的增加，重載車增多，雙曲拱橋上部結(jié)構(gòu)的主要病害（拱波縱向開裂；拱肋橫向開裂；橫系梁（橫隔板）開裂或脫落；拱頂下沉開裂；側(cè)墻鼓脹外傾及腹拱縱裂；腹拱圈縱橫向開裂等）也不斷表現(xiàn)出來。所以，有必要根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)狀況，存在的病害情況，車輛通行的需要，以及將來交通發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)病害雙曲拱橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析，提出既經(jīng)濟(jì)又施工可行，且能滿足加固后承載力要求的加固方法。

1.主拱圈加固主要方法：

1.1 擴(kuò)大拱肋截面加固法

外包鋼筋混凝土加大拱肋，從而擴(kuò)大拱肋的截面尺寸，增加拱肋斷面的含筋率，以提高拱肋的抗彎剛度。采用增大截面法進(jìn)行舊橋加固改造時(shí)，由于新舊結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)或混凝土之間收縮率的不同，引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布，在新舊材料或新舊結(jié)合面處將出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，極易出現(xiàn)裂縫而影響結(jié)構(gòu)的整體性。因此，必要時(shí)應(yīng)該進(jìn)行收縮應(yīng)力的計(jì)算；在新舊材料或者新舊結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合面處采用增加纖維和采用性能相近的材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

1.2 粘貼法加固主拱圈

通過在主拱肋受拉區(qū)底緣或受力薄弱部位粘貼鋼板或碳纖維布等材料，本法要求卸載之后再粘貼，才會(huì)產(chǎn)生作用，不然僅承擔(dān)活載。

2.工程案例：

現(xiàn)以某3*50m雙曲拱橋?yàn)槔?橋梁全長182m，行車道寬8.5m，橋面采用水泥混凝土鋪裝。橋梁每跨均由6片拱肋、15道橫系梁組成，拱圈矢跨比為1/6，組合式U型橋臺(tái)及雙柱式橋墩，立柱直徑為2.5m。原橋設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)是汽—15級(jí)，掛—80，計(jì)算荷載標(biāo)準(zhǔn)提高為公路Ⅱ級(jí)；原橋拱上填料為素混凝土，容重按25 kN/m3計(jì)（2004年舊橋加固將填料由砂礫更換為素混凝土）

2.1 原橋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算：

病害情況：墩頂處腹拱圈縱向貫通裂縫，對(duì)應(yīng)橫墻開裂，裂縫寬度約20mm；第三跨拱頂處拱肋橫向開裂，裂縫寬度約5mm；第二第三跨邊拱波縱向開裂，裂縫寬度約5mm；

驗(yàn)算條件：主拱圈的橫斷面中，由于拱肋、拱波及拱板均存在開裂現(xiàn)象，所以斷面的承載能力等性能指標(biāo)相比整體現(xiàn)澆的斷面有所下降。因此，本計(jì)算對(duì)拱肋等主要構(gòu)件的斷面承載能力等性能指標(biāo)打8折進(jìn)行考慮。

原橋結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果：

主拱圈拱頂處裂縫寬度不滿足要求；腹拱圈縱橋向及橫橋向正應(yīng)力均不滿足要求；主拱圈壓彎承載能力，主拱圈抗剪承載能力、主拱圈面內(nèi)穩(wěn)定性均滿足要求。原橋主拱圈及腹拱圈的計(jì)算裂縫寬度指標(biāo)超限（腹拱圈現(xiàn)狀開裂嚴(yán)重）；另外，由于橋面板整體連續(xù)，在基礎(chǔ)的不均勻沉降、汽車效應(yīng)、溫度效應(yīng)等工況作用下，造成橋墩處的橋面板的變形、內(nèi)力均較大，計(jì)算裂縫寬度指標(biāo)超限。

2.2 舊橋加固處治方案：

2.2.1 加固方案一：外包混凝土方案

加固措施：主拱肋外包15cm厚鋼筋混凝土； 橫墻外包15cm厚鋼筋混凝土，腹拱圈內(nèi)襯25cm鋼筋混凝土；

計(jì)算條件：主拱肋外包鋼筋混凝土?xí)r，拱肋橫斷面中，外包的凹形斷面作為疊合截面進(jìn)行考慮，凹形疊合組件的混凝土濕重由原主拱圈結(jié)構(gòu)承受，凹形疊合組件只承受部分新施工的二期恒載及部分活載的效應(yīng)。

2.2.2 加固方案一計(jì)算結(jié)果：

主拱圈裂縫寬度、抗彎承載力、抗剪承載能力、主拱圈面內(nèi)穩(wěn)定性、腹拱圈縱橋向及橫橋向正應(yīng)力等主要參數(shù)均滿足公路Ⅱ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.3 加固方案二：卸載，更換拱上填料為輕質(zhì)混凝土（泡沫混凝土）

加固措施：更換全橋橋面系及腹拱圈，包括腹拱拱座、腹拱、側(cè)墻、拱上建筑，保留主拱圈及橫墻，拱上填料采用輕質(zhì)混凝土，腹拱圈及拱座采用整體性更好的鋼筋砼；

計(jì)算條件：拱上填料采用輕質(zhì)混凝土，容重調(diào)整為8 kN/m3進(jìn)行計(jì)算（減載）。

2.2.4 加固方案二計(jì)算結(jié)果：

由于加固方案二的減載效果，改造后橋梁各構(gòu)件的承載能力及裂縫寬度指標(biāo)比較容易控制。各構(gòu)件均滿足公路Ⅱ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.總結(jié)：

加固方案一增載明顯，原橋墩承載力及橋臺(tái)基礎(chǔ)面臨滑移的風(fēng)險(xiǎn)（基礎(chǔ)的抗滑移安全系數(shù)不足的可能）尚應(yīng)作進(jìn)一步驗(yàn)證。

加固方案二由于較明顯地減輕了拱上建筑重量，受力情況分析較為合理，各主要構(gòu)件基本能滿足要求。原橋結(jié)構(gòu)拱上填料為素混凝土，厚度約為0.8～1m，而拱橋側(cè)墻保持為原有的漿砌片石結(jié)構(gòu)，此方案需要鑿除拱頂素混凝土填料，由于素混凝土填料強(qiáng)度較高，且厚度較大，而拱板配筋較少，存在局部開裂的情況，鑿除填料過程難以保證拱板及拱圈的完整性，不確定因素較多，施工過程存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

以上兩個(gè)加固方案均以公路-Ⅱ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)算，荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低，不滿足本橋作為主干道的荷載要求，另外，方案一估算建安費(fèi)為532萬，方案二估算建安費(fèi)為496萬，筆者認(rèn)為本橋維修加固的效益不明顯，應(yīng)考慮拆除重建。

若舊橋拱上填料為砂礫等松散結(jié)構(gòu)，且主體結(jié)構(gòu)無明顯病害、交通量不大的情況下則可考慮采用減輕拱上填料的方法對(duì)舊橋進(jìn)行加固處理。

目前，正在服役的公路鋼筋混凝土雙曲拱橋數(shù)量還比較多，其中的大多數(shù)都存在不同程度的病害，給橋梁的安全性、耐久性和可靠性帶來了不利影響。正確分析和總結(jié)既有雙曲拱橋的病害及其成因，以及對(duì)加固方案的分析計(jì)算，對(duì)于橋梁的維修加固或改建的選擇有著重要意義。