雙曲拱橋典型病害機理及加固方法研究

廣西壯族自治區蒙山公路管理局 廣西梧州 546700

摘要：雙曲拱橋是二十世紀六七十年代較為流行的橋型，對當時的交通發展起到了良好的推動作用。但該類拱橋結構整體性差以及當時設計手段的局限性，隨著交通量以及重載車輛的增長，部分此類橋梁結構存在不同程度的病害，本文針對雙曲拱橋的結構特點，結合具體工程實例，對其典型病害的產生機理進行了分析，并在此基礎上提出了相應的加固方法。

關鍵詞：雙曲拱橋；病害機理；承載能力；加固方法

1 工程概況

本橋位于國道321線，為加寬橋梁，舊橋部分為雙曲拱橋，加寬部分為鋼筋混凝土簡支板梁結構。舊橋部分全長64米，跨徑布置為3×15.6m，全寬7m，建成于1975年4月，設計荷載等級為汽車-15級、掛車-80級，跨徑布置如圖1所示。

圖1 舊橋跨徑布置示意圖（單位：cm）

2 病害情況及成因分析

2.1 典型病害

根據本橋的病害檢測結果，目前本橋上部主要承重結構存在以下幾方面的病害：

1）1-3#跨1#腹拱頂部各存在1處橫橋向開裂，裂縫長度介于1.2-4.6m之間，裂縫寬度最大處約為1mm，如圖2所示。

圖2 腹拱頂部橫向開裂

2）第1跨的1-2#拱肋、第1-3跨的2-3#拱肋和3-4#拱肋之間拱波均存在沿拱軸線方向的裂縫，其中4條通長貫穿全跨，并且伴有白析現象，最大裂縫寬度約為0.3mm，如圖3所示。

照片3 拱波裂縫

3）第1-3跨各條拱肋L/4-3L/4區域內均存在U型貫通裂縫，裂縫間距介于25-40cm之間，裂縫寬度均小于0.2mm，全橋共發現此種裂縫254條，如圖4所示。

圖4 拱腹表面橫橋向裂縫

4）拱肋橫系梁上存在豎向裂縫，個別裂縫為貫通的U型裂縫。其中第1跨2-3#拱肋間2#橫系梁存在3條豎向貫通U型裂縫；第1跨3-4#拱肋間2#橫系梁上存在2條豎向貫通U型裂縫；第2跨2-3#拱肋間2#橫系梁存在4條豎向裂縫，并延伸至貫通底面；第2跨2-3#拱肋間1#橫系梁中部存在1條豎向裂縫，此類裂縫寬度均小于0.2mm，如圖5所示。

圖5 拱肋系梁豎向裂縫

2.2 病害成因分析

1）雙曲拱橋結構主拱圈部分作為裝配式結構其整體性較差。本橋建成于1975年4月，此時期建造的此類結構在設計和施工不重視橫向聯系的構造，造成作為雙曲拱橋橫向聯系的橫系梁和拱波發生開裂現象。在橫向聯系被削弱后，主拱肋在活載作用下的橫向分布系數發生改變，個別拱肋承載能力不滿足要求，主拱肋產生結構性受力裂縫。

2）主拱圈截面不足。由于其建設年代的關系在設計時過于強調經濟性，造成此類結構在設計時過于精巧，主拱圈截面偏小，造成其承載能力不能適應目前的交通量。

3）設計理論的局限性。在此類雙曲拱橋設計時，多將主拱圈作為組合結構考慮，忽略了在實際施工過程中拱肋作為拱波、拱板的施工模板而引起的應力路徑問題，致使拱肋由于應力過大造成其開裂現象。

4）施工問題。在施工過程中過分強調施工速度，在拱波安裝過程中，拱腳處未固結時即鋪設上部填料，造成拱波產生施工階段裂縫。

3 主要加固方式

針對雙曲拱橋典型病害的主要產生機理，目前雙曲拱橋的加固方式主要有以下幾種：

1）針對主拱圈構件的加固。

針對雙曲拱橋的整體性較差、承載能力較低的特點，目前主要采用增強主拱肋、拱波以及橫系梁截面的方式進行加固，具體如下：

（1）由于雙曲拱橋在其設計建造期間，其所承擔的交通量較小，主拱肋截面在設計時截面高度和寬度不足，導致截面的剛度和強度不能滿足現有荷載量的要求，目前一般采取噴錨混凝土加大截面、粘貼鋼板的方式提高其強度和剛度的方式進行補強。此類方法可以較為有效地增加主拱肋截面的強度，但是在加固過程中可能會對原結構造成一定的破壞。

（2）雙曲拱橋作為裝配式結構，其自身存在整體性不強的缺陷，在設計時由于當時建設條件的局限，作為雙曲拱橋橫向聯系的拱肋間橫系梁和拱波一般截面尺寸較小，在活載作用下發生破壞，橫向聯系破壞后進一步削弱了此類結構的橫向聯系，造成各個拱肋見橫向分配系數的不均勻性，因此在加固時針對橫向聯系的補強對改善結構受力性能有著非常重要的意義。

此類方法可以較為有效地增加主拱肋以及橫向聯系的強度和剛度，但是在加固過程中可能會對原結構造成一定的破壞，此外增大截面會使主拱圈拱軸線偏離設計值，改變其恒載作用下的內力，應予以重視。此類加固方法如圖6、7所示。

圖6 某雙曲拱橋加固前主拱截面形式及尺寸（單位：cm）

圖7 某雙曲拱橋加固后主拱截面形式及尺寸（單位：cm）

2）針對拱上填料的換填。

（1）對拱上填料進行換填處理，采用合理的拱上填料可以有效的改善雙曲拱橋主拱圈在活載作用下的橫向分布系數，使各拱肋在活載作用下均勻受力，達到改善主拱肋整體受力性能的目的。

（2）由于雙曲拱橋一般建設年代較早，其上橋面系在線路時的加鋪或挖出將會造成恒載的增大或減小，造成主拱圈壓力線與拱軸線的偏離，造成主拱肋在恒載作用下即存在較大的彎矩，更換拱上填料可以在保證現有橋面標高的前提下，有效的改善主拱圈的受力性能，降低其恒載內力。

采用此類方法進行加固前，應根據實測主拱圈幾何參數，進行計算分析，使換填后的主拱圈恒載壓力線與拱軸線盡量重合。

3）更改結構形式

在雙曲拱橋加固時，也可采用在拱波內填實混凝土等方式，將雙曲拱橋改變為板拱等其他結構形式，從根本上解決其整體性較差的缺陷。但此類方法一般會提高加固成本，且新加截面多位于原主拱圈截面形心軸附近，對提高其承載能力幫助不大。

4 結語

以上介紹了雙曲拱橋的主要病害形式、產生機理及相應的加固方式，在針對雙曲拱橋維修加固的工程實踐中，應綜合考慮現有結構具體的結構型式、病害機理、現有荷載等級等方面的因素后，采取適當、有效地方法對現有結構進行加固。

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作者簡介：

*蒙麗華（1975），女，廣西人，工程師，主要從事公路養護橋梁管理、公路養護工程建設、公路養護管理（E-mail：lcjmlh@126.com）；