雙曲拱橋維修加固方案研究及工程應用

■陳偉卿

(福建路發工程勘察設計有限公司，泉州 362000)

雙曲拱橋是我國20世紀60、70年代常用的一種橋梁形式，在當時機具設備十分有限及鋼筋混凝土材料匱乏的條件下，橋梁主體結構采用化整為零的方式修建，以較低的建造成本實現了交通條件的較大提升。但該類型結構整體性差，存在設計荷載標準偏低、鋼筋用量少的缺點，隨著交通量增加以及車輛載重的增大，絕大多數在役的雙曲拱橋都出現不同程度的病害[1]。有些地區對雙曲拱橋進行大面積拆除重建，雖然可以根本解決橋梁缺陷，但所需投資極大。國內多年橋梁維修改造數據表明，一般中小跨徑橋梁的加固費用約為新建橋梁費用的10%～20%，其中雙曲拱橋的加固費用約為新建橋梁費用的20%～30%[2]。因此，加速我國舊橋維修加固技術的研究及工程應用，不僅能夠更好地為現代交通服務，而且也能帶來可觀的經濟效益和社會效益。國內外學者對雙曲拱橋維修加固方法進行了理論研究及工程實踐。目前對橋梁加固的方法主要有增大截面法[3][4]、粘貼鋼板法[5]、增加輔助構件法[6]、體外預應力法[5]、頂推法[7]等。 周志祥[8]針對大跨度雙曲拱橋的病害特點，探索了同時采用增大主拱圈截面、增加橫向聯系和改變拱上建筑結構體系三種措施進行加固，成功運用于重慶市巫溪縣110m跨的大寧河大橋上，取得了良好的社會經濟效益。

1 橋梁維修加固設計目標及設計方法

1.1 維修加固設計目標

維修加固的目標是確保橋梁能夠安全、正常的運營。對于結構承載力可以滿足設計荷載等級要求的橋梁，主要是提高橋梁的耐久性和恢復良好的使用功能；對于結構承載力不滿足設計荷載等級的橋梁，需按一定的要求進行結構補強加固以提高結構承載力，達到相應的設計荷載的要求。

1.2 維修加固設計原則

在進行加固設計方案比選時，需根據橋梁檢測報告，對不同加固設計方案中的結構的力學行為進行對比仿真分析，預知加固行為影響及預期加固效果。針對橋梁病害總體情況及分析結果，確定以下總體維修加固原則：

（1）目的性原則。加固設計方案應針對不同橋型、不同病害對癥下藥，標本兼治。

（2）安全性原則。既要考慮各種病害導致結構承載力的降低，也要考慮加固措施及其施工過程對結構承載力的不利影響，特別注意應將對原結構的損傷減至最低程度。

（3）方便施工原則。加固方案的制訂要充分考慮到當地施工條件和難度，方便施工。同時積極吸收、利用新技術、新材料和成熟經驗；對加固處治后的結構要充分重視可檢查性和可維護性。

（4）經濟性原則。加固措施在滿足功能要求的前提下，應兼顧經濟性，避免不必要的浪費。

（5）動態設計原則。舊橋加固有別于新橋建設，適用邊施工、邊測試、邊調整的動態設計。施工過程中不斷完善施工工藝，并根據測試結果及時調整設計。

1.3 維修加固總體設計方案比選

如前所述，對原橋進行維修加固改造或拆除重建，兩種方案具有一定的可比性。主要考慮兩點：一是對橋梁適應性進行分析，如所處路線超載車輛多或寬路窄橋等適應性不足，宜首選拆除重建；二是對橋梁維修加固改造方式進行比選，如技術比選、造價比選等。技術比選主要關注原設計荷載等級是否滿足現有交通需求，以此進行加固改造提高載荷標準與上部結構拆除重建或全橋拆除重建進行方案比較。兩種方案比選優缺點如表1所示。

表1 橋梁總體設計方案比選表

從表1可以看出，橋梁維修加固改造方案比原橋拆除重建方案建安費節省很多，且存在工期短、加固效果可控等優點。在原橋主體結構良好的情況下應優先考慮維修加固。

2 橋梁維修加固應用實例

2.1 工程概況

車圩橋位于福建省漳州市云霄縣下河鄉，上跨車圩溪。橋梁始建于1976年，結構形式為單跨上承式無鉸雙曲拱橋，全橋長48m，凈跨徑為29.0m，矢高3.38m。上部結構由三肋兩波組成，主拱肋為50cm×32cm截面的漿砌塊石，拱波材料為漿砌塊石。橋臺為U型重力式橋臺。跨中斷面如圖1所示。

圖1 車圩橋跨中斷面圖

經現場勘查，主拱圈跨中部分下塌，略呈M型變形，拱頂最大下撓達3.5cm；主拱圈勾縫砂漿脫落13處，總面積占比約21%；拱肋間的橫向聯系薄弱，橋梁的整體工作性能差。通過檢測結果及試驗數據分析，按照《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）判定，該橋不滿足汽-15級的正常使用極限狀態要求，但作為拱橋承重結構的主拱圈基本處于正常狀態，可采取維修加固措施以提高結構性能，節約重新建造成本。

2.2 主體結構加固方案比選

結合橋梁特點，擬采用增大截面法和粘貼鋼板兩種加固方式進行設計，因此主要對此兩種加固方式進行方案比選，如表2所示。

表2 主體結構加固方案比選表

經綜合比選，采用增大截面法對主拱肋及橫系梁進行加固。

2.3 主體結構加固方案

由于原橋主拱圈各截面應力水平普遍偏高，設計提出將改變拱上建筑結構體系和局部加大主拱圈截面相結合的方法來進行加固。主要思路是減輕拱上建筑重量、增大拱頂區段主拱圈截面積，確保主拱圈工作的整體性能。

加固后的結構形式如圖2，圖中陰影填充部分為加固后新增結構部分。具體采取的加固措施有：

（1）減輕拱上建筑重量：不改變原橋拱上結構形式，將原實腹式拱橋拱上填料清除，換填輕質填料，達到減輕拱上建筑重量的目的。

（2）對主拱圈進行局部加強：設計中對主拱肋及橫系梁采用增大截面加固方法，加固材料采用超高性能混凝土（UHPC）新型材料。在原橋石砌圬工拱肋增設適量的構造植筋，以達到既不對原拱肋造成過多損傷、又適當加強新舊材料結合的目的，確保新舊結構共同受力。另外，對橫系梁同樣采用增大截面法進行加固。

增大截面法常規的做法是在原拱肋或橫系梁上植筋，支立模板，綁扎鋼筋后澆筑鋼筋混凝土套拱與原拱肋形成整體。新型材料UHPC混凝土抗壓強度標準值一般高于120MPa，是橋梁所用傳統混凝土的2～4倍；UHPC混凝土能夠有效減小拱肋截面尺寸，可大幅減少混凝土結構自重，降低自重產生的彎矩。同時，具有良好的粘結強度，可大幅減少植筋數量，有效減少對原結構的破壞。

2.4 橋梁加固主要施工步驟

（1）橋臺破損處加設鋼筋混凝土圈梁對橋臺進行加固；

（2）拆除上部附屬構造及橋面板等以卸除拱肋所承受的部分上部荷載；

（3）按設計圖紙植筋，采用增大截面法施工新拱座；

（4）修復主拱肋裂縫及鋼筋露筋等病害；

（5）待新混凝土達到設計強度后，按照增大截面法采用UHPC混凝土加固主拱肋及橫系梁；

（6）施工橋面系及附屬設施。

圖2 車圩橋維修加固方案

維修加固完成后檢測結果顯示，車圩橋主拱肋及橫系梁采用UHPC混凝土加固后，橋梁承載能力達到0.8倍公路-Ⅱ級荷載要求，可以滿足現有交通要求。

3 結論

橋梁類型存在多樣性，橋梁維修加固要根據病害成因和類別以及造成橋梁性態下降的因素靈活地采取維修加固措施。在擬定維修加固設計方案時，應注意以下幾點：

（1）通過正確認識橋梁在不同環境下的結構特性，準確識別結構中既有損傷，進而較為準確地定量橋梁的病害狀況，合理進行維護決策和資源配置。

（2）橋梁加固方法較多，對不同加固設計方案中的結構的力學行為進行對比仿真分析，預知加固行為影響及預期加固效果，在實際工程應用中應該從技術性、經濟性、耐久性、美觀性及施工難度等方面綜合考慮。

（3）增大截面法由于施工簡便、加固效果明顯，用于橋梁結構的加固其優點突出；拱橋主體結構以受壓為主，加固設計采用了拱上建筑減載與主拱圈段截面加強相結合的加固方法，明顯改善了主拱圈的受力狀態；新型材料UHPC混凝土以其極高的抗壓性能、自密實性、優異的耐久性能而特別適用于拱橋結構，但是其工作機理及工程應用研究在國內并不完善，有待進一步深入。