復(fù)合拱圈加固圬工拱橋加固技術(shù)探討

喬天　喬文靖　徐思平

摘 要：鋼筋混凝土復(fù)合拱圈加固法是圬工拱橋加固中最常用的一種方法，本文從復(fù)合拱圈加固圬工拱橋加固構(gòu)造、使用材料、受力特點(diǎn)和技術(shù)特點(diǎn)論述了該加固方法，綜上考慮復(fù)合拱圈加固法施工工藝流程清晰，施工工程量不大和施工技術(shù)較簡(jiǎn)單，故該加固技術(shù)值得在工程實(shí)踐中推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：復(fù)合拱圈；加固構(gòu)造；受力特點(diǎn)；工程實(shí)踐

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.066

0 引言

圬工拱橋由于造價(jià)低廉，造型優(yōu)美，取材方便，潛在的承載力大等優(yōu)點(diǎn)，大部分修建于20世紀(jì)60～70年代。但是現(xiàn)存在役拱橋，由于設(shè)計(jì)病害較多和荷載標(biāo)準(zhǔn)較低，已不適用交通量日益增長(zhǎng)的需求。將這些圬工拱橋全部重建，既不科學(xué)也不現(xiàn)實(shí)。因此，危舊圬工拱橋的加固維修，其任務(wù)十分繁重。對(duì)圬工拱橋的加固設(shè)計(jì)和施工方法，進(jìn)行深入系統(tǒng)的理論研究與技術(shù)完善，該方法有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。常用的圬工拱橋加固方法是鋼筋混凝土拱肋加固主拱圈的加固法，將一層鋼筋混凝土拱肋增設(shè)在原拱圈的兩側(cè)面和拱腹，以此增大拱圈橫斷面，形成圬工和鋼筋混凝土的復(fù)合拱圈，提高圬工拱橋承載能力 [1-2]。

1 圬工拱橋復(fù)合拱圈加固加固方法的構(gòu)造技術(shù)

當(dāng)圬工拱橋承載力不足時(shí)，可以采用復(fù)合拱圈加固法，而導(dǎo)致圬工拱橋承載力不足的原因主要有圬工拱圈開(kāi)裂、拱石風(fēng)化、砂漿脫落和圬工拱圈發(fā)生不可恢復(fù)的變形等情況。該加固技術(shù)將鋼筋混凝土拱肋設(shè)置在原圬工拱圈兩側(cè)面和拱腹，或僅在原拱圈拱腹增設(shè)鋼筋混凝土拱肋，增設(shè)拱肋之間用橫系梁連接，最終形成鋼筋混凝土加固層與原圬工拱圈共同承載的復(fù)合主拱圈。復(fù)合主拱圈以增大復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，在荷載作用下，協(xié)調(diào)變形，共同作用，提高加固后圬工拱橋承載力。加固中應(yīng)特別注意新舊拱圈的密切結(jié)合，為了使原拱圈與新增拱肋共同受力，有效地聯(lián)結(jié)，需要在原主拱圈頂面下預(yù)埋錨固鋼筋，預(yù)埋鋼筋安裝時(shí)，需要伸出頂面，即穿透拱圈，與現(xiàn)澆加固層中的鋼筋網(wǎng)焊接[3-4]。鋼筋混凝土復(fù)合拱圈加固設(shè)計(jì)能有效提高結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。其中主拱圈是圬工拱橋的主要受力構(gòu)件，由于橋梁超載和常見(jiàn)病害引起圬工拱橋承載力不足，采用鋼筋混凝土形成的復(fù)合拱圈加固圬工拱橋可以改善承載力功能失效[5-6]。因施工工程量不大、施工技術(shù)較簡(jiǎn)單和工藝流程清晰，故該加固技術(shù)值得在工程實(shí)踐中推廣和應(yīng)用。

目前，復(fù)合拱圈加固圬工拱橋技術(shù)分為鋼筋混凝土拱板加固技術(shù)，拱肋加固技術(shù)和板肋加固技術(shù)。增設(shè)鋼筋混凝土拱板主要針對(duì)主拱圈較窄的圬工拱橋，將鋼筋混凝土制成的拱板加固層，沿原主拱圈的拱腹下增設(shè)一層，形成復(fù)合拱圈。根據(jù)復(fù)合拱圈共同作用和協(xié)調(diào)變形來(lái)共同承擔(dān)后期荷載，提高加固后橋梁的承載力，以此，達(dá)到增大復(fù)合拱圈剛度和強(qiáng)度的目的。若拱圈寬度較大，可以采用鋼筋混凝土板肋和拱肋加固，改善主拱圈病害嚴(yán)重，提高結(jié)構(gòu)承載力嚴(yán)重不足的拱圈結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土拱肋加固是在拱腹下增設(shè)鋼筋混凝土拱肋，拱肋的數(shù)目和尺寸可以根據(jù)計(jì)算確定，可以在拱肋之間增設(shè)橫系梁加固，增強(qiáng)拱肋與原拱圈之間的橫向聯(lián)系，同原拱圈共同承擔(dān)后期恒載。鋼筋混凝土板肋加固可以先增設(shè)鋼筋混凝土拱肋，可以根據(jù)計(jì)算確定拱肋的數(shù)目和尺寸，之后再現(xiàn)澆混凝土橫系梁或拱板，與之前澆筑好的拱肋共同參與原主拱圈受力變形和承擔(dān)后期荷載。目前較為實(shí)用的是鋼筋混凝土板肋和拱肋的加固技術(shù)，因?yàn)楣袄呒庸虒幼灾剌^小，減輕原結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，在原主拱圈內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生較大的附加恒載，同時(shí)可以節(jié)省材料用量[7-8]。

2 復(fù)合拱圈的受力特點(diǎn)

2.1 復(fù)合拱圈的受力性能

復(fù)合拱圈由鋼筋混凝土加固層和圬工原拱圈組成，其受力特性與原主拱圈單純受力，有一定的差異，其受力特征主要體現(xiàn)在：

（1）加固后的拱圈屬于復(fù)合截面。復(fù)合拱圈由鋼筋、混凝土和圬工砌體這三種材料共同合成，因此，必須控制好原拱圈和加固層的施工工藝和處理技術(shù)，使新老拱圈之間能夠共同工作和協(xié)同受力。基于的大量工程實(shí)踐研究結(jié)果，在加固[基金項(xiàng)目：1、 西安工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目；2、 西安工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)基金（XAGDXJJ14019）]結(jié)構(gòu)中，組合截面會(huì)出現(xiàn)彎、剪、拉、壓等復(fù)合應(yīng)力，其中以剪力和拉力為主。當(dāng)復(fù)合拱圈承受荷載，處于彈性工作階段時(shí)，加固層和原拱圈共同承擔(dān)組合截面的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。而當(dāng)復(fù)合拱圈承受荷載，在開(kāi)裂極限即塑形階段時(shí)，錨固筋承受荷載而產(chǎn)生的剪切磨擦力，這部分力承擔(dān)了復(fù)合拱圈的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。基于上述研究，新老拱圈的粘結(jié)好壞是加固的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)直接影響著復(fù)合拱圈的受力。所以，加固時(shí)必須要對(duì)原拱圈和加固層進(jìn)行涂刷處理，二者之間需要增配適量的錨固鋼筋，增強(qiáng)原主拱圈和加固層之間的粘結(jié)性，使原拱圈和加固層作為復(fù)合截面，協(xié)同受力和傳力有效，達(dá)到共同工作的目的 [9]。

（2）加固結(jié)構(gòu)二次受力。復(fù)合拱圈加固前后的原拱圈的受力差別較大，因?yàn)閺?fù)合拱圈新增鋼筋混凝土加固層的二次受力，這種受力特性的變化給加固后復(fù)合截面承受荷載時(shí)，其驗(yàn)算增加了復(fù)雜程度。復(fù)合截面的原拱圈除了承擔(dān)自身重量之外，還承擔(dān)了新增加固拱圈的重量，這樣，加固前原拱圈承載能力已部分使用，而加固拱圈潛在承載力能力與原拱圈余下的承載能力共同承擔(dān)新增荷載。基于上述分析，新老拱圈復(fù)合截面在共同承擔(dān)的新增荷載中，原拱圈中的應(yīng)力和應(yīng)變將一直延滯于新的復(fù)合拱圈中，產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力?；趶?fù)合拱圈二次受力性能的差別，所以普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)的原理和方法對(duì)加固結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行計(jì)算時(shí)不可以照搬。

2.2 原拱圈砌體受壓破壞的過(guò)程

復(fù)合拱圈在承受后期荷載直至破壞，主要是圬工部分受壓破壞。為了更好研究復(fù)合拱圈受力性能，有必要研究砌體結(jié)構(gòu)的受壓破壞過(guò)程?；趪?guó)內(nèi)外大量的工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，受壓砌體從開(kāi)始加載直至破壞，根據(jù)砌體結(jié)構(gòu)中裂縫出現(xiàn)的部位和時(shí)間段，以及其裂縫延伸的情況，破壞過(guò)程主要有：

第一階段：對(duì)砌體加載，當(dāng)荷載逐漸增大，砌體上出現(xiàn)第一批裂縫。此時(shí)，單塊砌塊內(nèi)顯現(xiàn)微小裂縫。最后，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)荷載為最終破壞荷載的50～70%時(shí)，第一批裂縫產(chǎn)生于砌體內(nèi)。endprint

第二階段：隨著施加荷載逐漸增大，單塊砌塊內(nèi)不斷發(fā)展裂縫，逐漸連的裂縫通成一整段形狀，該裂縫沿砌體豎向發(fā)展到相鄰砌塊內(nèi)。此時(shí)，荷載恒定不變，但是砌體中裂縫寬度和長(zhǎng)度仍會(huì)繼續(xù)發(fā)展，測(cè)試的千分表指針讀數(shù)繼續(xù)增大，此時(shí)的荷載約為破壞荷載的80～90%之間。

第三階段：繼續(xù)增加荷載，砌體的裂縫會(huì)繼續(xù)加大和加寬，砌體結(jié)構(gòu)因?yàn)楸粔核槎鴨适Х€(wěn)定性，結(jié)構(gòu)完全破壞，此時(shí)的試驗(yàn)強(qiáng)度稱為砌體的破壞強(qiáng)度，其荷載稱為砌體破壞荷載。

綜上所述，當(dāng)圬工砌體承受壓力時(shí)，砌體內(nèi)的砌塊受力狀態(tài)是極其復(fù)雜的，不再是理想中的均勻受壓狀態(tài)，而是彎曲、剪切和拉應(yīng)力的共同作用。砌塊的抗壓強(qiáng)度較高。故在復(fù)合拱圈加固圬工拱橋破壞過(guò)程中，要充分考慮砌體受壓破壞過(guò)程。

3 復(fù)合拱圈加固圬工拱橋的技術(shù)特點(diǎn)

圬工拱橋采用復(fù)合拱圈加固技術(shù)，整體上提高結(jié)構(gòu)的耐久性和整體性，較大幅度地提高復(fù)合拱圈的極限承載力，達(dá)到增大復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的目的。其加固技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）鋼筋混凝土加固層增大了原主拱圈的截面尺寸，當(dāng)復(fù)合拱圈共同作用并承擔(dān)后期荷載時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)會(huì)協(xié)調(diào)變形，以此達(dá)到增大復(fù)合拱圈剛度和強(qiáng)度，提高加固后圬工拱橋承載力的目的。

（2）原主拱圈與新增鋼筋混凝土加固層共同作用，分擔(dān)橋梁荷載，可以減小原主拱圈在荷載作用下的拉壓應(yīng)力，加固結(jié)構(gòu)受力更為合理。

（3）鋼筋混凝土加固層可以采用現(xiàn)場(chǎng)澆注施工，達(dá)到較高的混凝土強(qiáng)度，其加固增強(qiáng)效果較噴射混凝土等技術(shù)更為顯著。

（4）鋼筋混凝土加固層加固圬工拱橋的主拱圈，加固結(jié)構(gòu)耐久性好，主拱圈的抗腐蝕性，防水性和抗風(fēng)化性較好。

（5）因施工工程量不大，所以從施工技術(shù)層面考慮，該施工工藝流程清晰，施工技術(shù)較為簡(jiǎn)單，故鋼筋混凝土復(fù)合拱圈加固技術(shù)值得廣大工程技術(shù)人員在工程實(shí)踐中大力推廣和應(yīng)用。

（6）從社會(huì)影響角度來(lái)看，復(fù)合拱圈加固過(guò)程中，可以不必中段中斷交通時(shí)間或中斷時(shí)間相對(duì)較短，其對(duì)社會(huì)交通影響較小。

綜上所述，對(duì)這種在役危舊圬工拱橋的復(fù)合拱圈加固理論和施工工藝進(jìn)行深入系統(tǒng)完整的技術(shù)開(kāi)發(fā)與理論研究，是有著重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，可以促進(jìn)廣大縣鄉(xiāng)地方的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)支持國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和我國(guó)公路建設(shè)也有重要的意義。

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基金項(xiàng)目：1、 西安工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目；2、 西安工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)基金（XAGDXJJ14019）

通訊作者：?jiǎn)涛木福?981-），女，西安人。endprint