淺談拱橋加固的技術(shù)要求及施工措施

杜永平

【摘 要】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。我段區(qū)域內(nèi)管養(yǎng)的大水溝1#橋、大水溝2#橋、高樓山1#橋，范壩橋等石拱橋，修建于上世紀(jì)七十年代，設(shè)計(jì)荷載低，均為汔-13拖60，加之現(xiàn)在交通量大，車(chē)輛負(fù)荷大，已不能承受現(xiàn)在如此之大的交通荷載，行車(chē)安全性差，急需維修。借著2015年G212線水泉至罐子溝公路角弓至罐子溝維修改造工程的契機(jī)，對(duì)我段管養(yǎng)的四座拱橋進(jìn)行了加固，加固后設(shè)計(jì)荷載達(dá)到公路-Ⅱ級(jí)。文章中對(duì)拱橋加固的技術(shù)要求及施工措施進(jìn)行分析，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和施工方法。

【關(guān)鍵詞】拱橋加固；技術(shù)要求；施工措施

中圖分類(lèi)號(hào)： U445.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095-2457（2018）06-0198-002

1 拱橋加固技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 損壞原拱圈

要保證拱橋與原拱圈協(xié)同受力，則必須這兩個(gè)構(gòu)件連接牢固，連接方式可采用植筋的形式，這就需要在原拱圈上鉆孔，對(duì)原拱圈有結(jié)構(gòu)上的損失，特別是對(duì)于一些風(fēng)化嚴(yán)重的拱圈將可能導(dǎo)致拱圈的損壞。

1.2 壓縮河道，影響排水及通航

拱橋的設(shè)置占用了橋下凈空，對(duì)一些通航及排水要求嚴(yán)格橋梁將不適用。

1.3 支架架設(shè)不便

拱橋制作時(shí)需要支架來(lái)支撐，對(duì)于跨越深谷，深水以及交通繁忙的橋梁架設(shè)支架則相當(dāng)?shù)穆闊?/p>

1.4 增大基礎(chǔ)負(fù)重

拱橋的重量也是要基礎(chǔ)來(lái)承擔(dān)的，這對(duì)于原基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)是額外的負(fù)重，需驗(yàn)算基礎(chǔ)的承載力，如承載力不足，則同樣需加固基礎(chǔ)，增大工程量，且有可能壓縮河道，影響排水及通航。

2 拱橋加固主要技術(shù)要求

2.1 拱橋加固計(jì)算理論

在原主拱圈外面外包一層鋼筋混凝土套箍，與原拱圈共同形成新的拱圈，這種加固方式稱(chēng)為鋼筋混凝土拱橋加固，此法增大了主拱圈承載力，通過(guò)原主拱圈與外包層的協(xié)調(diào)變形、共同承擔(dān)荷載，提高了橋梁承載力。套箍加固法主要運(yùn)用了三個(gè)基本原理，原理一：斷裂力學(xué)機(jī)理；原理二：增大受力面理論；原理三：套箍效應(yīng)。

原理一：斷裂力學(xué)機(jī)理

（1）加固后，使得裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子減小很多，僅為原來(lái)的一半，這是因?yàn)殇摻罨炷镣獍鼘邮沟迷鞴叭Ρ砻媪芽p變?yōu)閮?nèi)部裂縫。減弱了裂縫的開(kāi)裂效果，從而有效地抑制了裂縫的擴(kuò)展。

（2）由于套箍層的約束作用，鋼筋套箍產(chǎn)生強(qiáng)大的握裹力有效的阻礙了構(gòu)件的橫向變形，減弱了裂紋的開(kāi)展。

原理二：增大受力面理論

由于設(shè)置了鋼筋混凝土套箍，使得拱圈的截面面積增大，且混凝土強(qiáng)度高于圬工材料強(qiáng)度，再加上配有足夠的縱向及橫向鋼筋，與原主拱圈共同工作，從而有效地增大了拱圈對(duì)于彎矩等外力的承載能力。

原理三：套箍效應(yīng)

原主拱圈處于單向受壓狀態(tài)，無(wú)側(cè)壓約束，設(shè)置套箍層后，使原拱圈受到三向壓力，約束各向裂縫的發(fā)展，提高了原主拱圈抗壓承載能力。

2.2 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)。

2.3 粘貼法加固主拱圈

通過(guò)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。

3 拱橋加固技術(shù)方案

3.1 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)。

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。

3.2 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）。

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。

3.3 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(kāi)裂的情況，鑿除填料過(guò)程難以保證拱板及拱圈的完整性，不確定因素較多，施工過(guò)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(wàn)，方案二估算建安費(fèi)為496萬(wàn)，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(wú)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

4 拱橋加固施工措施實(shí)例分析

4.1 實(shí)例分析一

通過(guò)對(duì)某風(fēng)景橋及長(zhǎng)梗橋采用大型通用有限元分析軟件Marc進(jìn)行了拱橋加固的結(jié)構(gòu)方面的分析。由原主拱圈各主要控制點(diǎn)的主應(yīng)力的數(shù)據(jù)分析得出各點(diǎn)的彎矩的變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)加固后：拱腳處于下彎的趨勢(shì)； 1/8跨的壓力線趨于拱軸線位置；1/4跨處于上彎的趨勢(shì)；跨中處于上彎的趨勢(shì)。這說(shuō)明拱腳處截面壓力作用線趨近于拱軸線，跨中處截面壓力作用線偏離拱軸線。壓力作用線越趨近于拱軸線則截面彎矩越小，越偏離則截面彎矩越大。

根據(jù)實(shí)腹式懸鏈線拱軸計(jì)算圖式可知，由于套箍加固，在拱圈的下緣加固拱圈，這樣組合結(jié)構(gòu)使原拱軸線下移，可知原來(lái)在 1/4點(diǎn)處的彎矩零點(diǎn)向拱腳靠近，拱腳附近拱軸線偏心減小，而拱頂區(qū)域偏心較大。對(duì)于拱橋一般在拱腳處比其他地方受力要大，可考慮通過(guò)減小拱腳處的應(yīng)力，增大跨中截面的應(yīng)力來(lái)均衡拱圈的應(yīng)力。由上面的實(shí)例分析可知彎矩零點(diǎn)向拱腳靠近，使得拱腳處的壓力偏心變小，降低了拱腳的彎矩，使拱腳更安全些。相應(yīng)的由于拱軸線下移，導(dǎo)致兩端 1/4跨點(diǎn)之間（即中部截面）的截面正彎矩變大，但中部截面的拱圈的承載力均有一定的富余，又由于在拱圈下方設(shè)置了鋼筋混凝土拱橋，鋼筋對(duì)于正彎矩有很好的抵抗能力，并且使得原拱圈大部分截面受壓。由此可知，拱橋加固可以使原拱圈的受力更合理，充分利用原拱圈的材料，提高拱圈的承載力。

4.2 實(shí)例分析二

現(xiàn)以某3*50m雙曲拱橋?yàn)槔?橋梁全長(zhǎng)182m，行車(chē)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)。

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

5 結(jié)語(yǔ)

目前，正在運(yùn)行的公路鋼筋混凝土拱橋數(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(lái)了不利影響。正確分析和總結(jié)既有拱橋的病害及其成因，以及對(duì)拱橋的加固和施工方案進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)于橋梁的維修加固和施工選擇有著重要意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]交通部科學(xué)研究院等.公路雙曲拱橋（上部構(gòu)造設(shè)計(jì)計(jì)算）[M].北京：人民交通出版社，1983.

[2]顧安邦.橋梁工程（下冊(cè)）[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3]閆國(guó)新.溝槽式新老混凝土粘結(jié)面抗剪性能試驗(yàn)研究[D]鄭州大學(xué)，2006.

[4]李東超.薄壁箱梁橋的加固研究[D].廣西大學(xué)，2007.

[5]劉佳昌.雙曲拱橋加固機(jī)理數(shù)值分析[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2008.