雙曲拱橋病害的維修與加固

上海中測行工程檢測咨詢有限公司 莊春雨

雙曲拱橋病害的維修與加固

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隨著我國交通運輸事業(yè)的發(fā)展，原來的公路及市政道路均擔負著沉重的交通流量，為適應(yīng)不斷增長的交通流量，各地均掀起了道路的新建及改建、擴建高潮。雙曲拱橋大部分修建于上個世紀60～80年代，是少鋼筋少水泥時期修建的典型橋梁，大都已處于設(shè)計使用壽命的后期。雙曲拱橋自身存在結(jié)構(gòu)整體性差的缺陷，加之施工和運營管理等多方面原因，長期運營后通常會出現(xiàn)諸如構(gòu)件破損、開裂等多種病害。近年車輛急劇增多，超重荷載屢禁不止，對現(xiàn)有的雙曲拱橋承載形成了巨大的壓力，結(jié)構(gòu)提前出現(xiàn)老化現(xiàn)象，某些橋梁甚至已經(jīng)不堪重負。在經(jīng)濟條件不允許拆除重建時，為保證運營安全，亟須進行加固。

目前，結(jié)構(gòu)加固技術(shù)發(fā)展較為迅速，對于雙曲拱橋的加固，可采用加大截面法、粘貼碳纖維布（鋼板）、預(yù)應(yīng)力加固、噴射混凝土加固等方法。近年來，隨著材料科學的不斷發(fā)展，纖維類材料被廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，特別是以碳纖維為主要材料的加固技術(shù)，由于施工便捷，成為橋梁加固工程當中一種行之有效的手段。

一、雙曲拱橋的加固措施

通過對雙曲拱橋結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進行分析，我們發(fā)現(xiàn)，采取適當?shù)木S修加固措施，可恢復(fù)或提高其承載能力。雙曲拱橋的加固內(nèi)容包括加強主拱結(jié)構(gòu)，加強橫向聯(lián)系，改造拱上建筑，加固墩臺、基礎(chǔ)，更換橋面鋪裝，改變結(jié)構(gòu)體系等。

1. 拱肋加固。拱肋是雙曲拱橋主拱圈的骨架，也是組合截面重要組成部分，是最為重要的受力構(gòu)件。雙曲拱橋常見的病害為拱肋強度不足引起的承載力降低，拱肋的加固至關(guān)重要。由于拱肋通常會在拱頂及拱腳處出現(xiàn)徑向裂縫，故根據(jù)其受力特點，通常可采用粘貼鋼板或碳纖維布的方法或擴大截面并增配鋼筋的方法進行加固。

（1）粘貼鋼板。粘貼鋼板是鋼板和混凝土通過膠粘劑結(jié)合成為整體而共同受力，在基本不增加自重的同時，充分發(fā)揮鋼板的強度，約束混凝土的變形，限制裂縫的發(fā)展，提高拱圈的承載能力。

（2）粘貼碳纖維布。粘貼碳纖維方法作用與粘貼鋼板相似，但碳纖維加固具有許多其他傳統(tǒng)加固法所無法比擬的優(yōu)點，如輕質(zhì)高強、無須搭接，能適應(yīng)曲面構(gòu)件的粘貼要求，耐腐蝕、耐潮濕、施工便捷、抗疲勞性能好。除了普通的外粘加固，還可用碳纖維復(fù)合材料施加預(yù)應(yīng)力，讓碳纖維的強度得以充分發(fā)揮，因而適用于橋梁結(jié)構(gòu)的補強修復(fù)，主要可用于受彎和受剪構(gòu)件（梁、板、柱等）承載力不足的加固，也可利用其纏繞約束作用，用于受壓立柱的加固并可有效增強被加固構(gòu)件的延性，有利于結(jié)構(gòu)抗震。在碳纖維的增強作用下，可提高抗彎能力，使受彎構(gòu)件的承載能力增加，并遏制裂縫的發(fā)展，減少開裂。

（3）擴大截面法。通過外包鋼筋混凝土擴大整個拱肋截面尺寸，增加拱肋截面的配筋率，以提高拱肋的抗彎剛度，提高截面的承載力。也可采用只加大拱腳截面的辦法，該方法有利于改善和調(diào)整拱腳、拱頂兩個控制截面受力狀態(tài)，起到卸載的作用，以提高拱橋承載能力。通常做法是在拱腳處加大截面范圍內(nèi)的拱肋，并在拱座上植筋，填充新澆混凝土，將拱腳處變成實心鋼筋混凝土構(gòu)件，以有利于結(jié)構(gòu)整體受力。

施工時擴大部分寬度宜采用半包圍原結(jié)構(gòu)形式，最小厚度不宜小于150mm，新增部分鋼筋應(yīng)采用植筋或與原結(jié)構(gòu)鋼筋焊接方式形成整體。新增混凝土加厚層在構(gòu)件受力過程中應(yīng)與原構(gòu)件保持變形協(xié)調(diào)，應(yīng)采取工程措施保證新舊混凝土的受力變形一致。

采用增大截面加固法時，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件強度不應(yīng)低于C20，受壓構(gòu)件強度不應(yīng)低于C15，預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件強度不應(yīng)低于C30。加固前須先對拱肋出現(xiàn)的裂縫采用壓力注環(huán)氧漿液封閉，并對露筋表面進行除銹、修補處理。

2. 加強橫向聯(lián)系。由于雙曲拱橋的構(gòu)造特點使得其截面整體性差，橫向聯(lián)系較弱，橫向聯(lián)系不足會引起橫橋向失穩(wěn)。當拱肋間無橫向聯(lián)系或橫向聯(lián)系較弱時，在集中荷載作用下，長期運營后各拱肋的受力、變形在橫橋方向是不均勻的，相對變形較大，故采用增加橫向聯(lián)系來使單片拱肋聯(lián)成整體，形成一個框架，從而保證橫向穩(wěn)定，改善主拱圈受力。通過加強橫向聯(lián)系，可以增強整體性。

加強橫向聯(lián)系通常采取兩種方法：一是增強橫向聯(lián)系，可將原有橫系梁改為橫隔板，加大與拱肋的結(jié)合面積；二是增加橫向聯(lián)系的數(shù)量，根據(jù)跨徑的不同增加橫向聯(lián)系。增設(shè)橫向拉桿加固時，視跨徑大小可在跨中、1/8跨徑和1/4跨徑附近設(shè)置橫向拉桿。加強橫向系梁加固時，其位置宜選擇在拱頂、拱肋分段接頭處以及腹拱墩（或立柱）下和拱腳附近。

通過加強橫向聯(lián)系，提高了拱橋的橫向整體性能，使各拱肋間的受力較為均勻，變形趨于一致，加強了橋梁的剛度和穩(wěn)定性，提高了橋梁的承載能力。

拱肋橫系梁病害處理。先采用壓力注環(huán)氧漿液封閉裂縫，再對構(gòu)件混凝土面層的粉刷層和松動部分徹底清除后打磨。對于外露鋼筋，先進行除銹處理，然后用找平膠修補，纏繞包裹碳纖維布。

3. 改造拱上建筑。拱上建筑的構(gòu)件破損、開裂等病害一般可采用粘鋼或粘貼碳纖維布的方法修補，如柱類構(gòu)件強度或穩(wěn)定性不足，可采用纏繞碳纖維的方法處理，環(huán)向圍束。立柱頂部混凝土壓碎，可采用外包鋼筋網(wǎng)加大柱截面的方法處理，形成箍的作用。

在梁、板類受彎構(gòu)件的正截面加固，纖維布應(yīng)貼在受拉區(qū)，纖維粘貼方向與受拉方向一致。對于受彎構(gòu)件的斜截面加固，纖維粘貼方向應(yīng)與主拉應(yīng)力方向一致，考慮到施工的方便，也可粘貼成與構(gòu)件軸向垂直。這主要是利用碳纖維布抗拉承載力高的特性，將布粘貼在構(gòu)件受拉面，使之與混凝土共同承受荷載，提高構(gòu)件的受彎承載力，達到補強的目的。梁類構(gòu)件進行受剪加固將碳纖維布粘貼于構(gòu)件的剪跨區(qū)，起到與箍筋類似的作用，提高構(gòu)件的抗剪承載力。利用碳纖維布對混凝土的約束以抑制剪切裂縫的開裂和發(fā)展，可采用封閉式粘貼、U形粘貼或側(cè)面粘貼碳纖維布，粘貼方向宜與構(gòu)件軸向垂直。

減輕拱上建筑的重量通常有三種方式：一是可將拱式腹拱改為較輕的T梁或空心板等輕型橋面板；二是徹底清除原拱上填料，更換為輕質(zhì)材料重新填筑；三是將墻式墩改為柱式墩。上述三種方法均可有效減輕拱上建筑的重量，以減小拱頂彎矩。

4. 加固墩臺。墩臺出現(xiàn)病害會導(dǎo)致雙曲拱橋的上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害，對于墩臺病害的處理，裂縫可采用壓力注環(huán)氧漿液封閉裂縫，或粘貼鋼板。病害嚴重的可用鋼筋混凝土套箍并施加體外預(yù)應(yīng)力加固墩身。當墩臺變位過大時，則需采用頂推等方法使墩臺復(fù)位穩(wěn)定。

5. 更換橋面鋪裝。

由于早期橋面板及鋪裝強度普遍較低，維修可采用強度高、防水性能好的橋面板及鋪裝重新鋪筑，還可在橋面鋪裝中添加鋼纖維或化學聚合物類纖維，增加強度及抗裂性能。

6. 改變結(jié)構(gòu)體系。進行加固如不能滿足需要，根據(jù)橋梁的實際情況，可采用改變結(jié)構(gòu)體系的方法，拆除原有拱上建筑，改建為桁架拱或剛架拱。拆除前應(yīng)做好拆除方案，保證拆除時拱上受力平衡，避免發(fā)生坍塌事故。

二、工程實例

宿遷京杭運河1號橋，主橋采用四肋三波懸鏈線無鉸雙曲拱形式，拱上建筑為立柱式腹拱墩，引橋采用五肋四波懸鏈線無鉸雙曲拱形式，拱上建筑為拱式腹孔，由于該橋車流量較大，長期通行重型車輛，上部結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)較為嚴重的病害，構(gòu)件出現(xiàn)不同程度的損壞現(xiàn)象，很多構(gòu)件有裂縫出現(xiàn)，滲水現(xiàn)象較為明顯。檢測后根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》將該橋總體技術(shù)狀態(tài)評定為四類，即差的狀態(tài)。根據(jù)檢測情況，針對該橋存有的病害及發(fā)展情況，依據(jù)通行需要，參考相關(guān)成功經(jīng)驗，提出以下維修加固方案。

1. 對主拱圈的露筋及外力損傷進行修復(fù)，重要部位底面粘貼碳纖維布。

2. 對主拱圈拱肋間個別橫隔板端部的滲水、白化進行維修。

3. 主拱微彎板裂縫經(jīng)壓力注環(huán)氧漿液封閉裂縫后，粘貼碳纖維進行加固。

4. 修復(fù)拱上建筑中立柱的部分破損，對不滿足構(gòu)造及抗震要求的立柱，應(yīng)采用碳纖維進行加固處理，粘貼方式為纏繞及環(huán)向粘貼。

5. 拱上建筑中的開裂蓋梁采用粘鋼方法加固補強。

6. 拱上建筑微彎板采用粘貼碳纖維方法進行加固。

7. 加固補強應(yīng)在對結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的病害、損傷修復(fù)基礎(chǔ)上進行。

8. 橋面鋪裝改為鋼筋混凝土鋪裝，雙層鋼筋網(wǎng)加密、加粗，以增強橋梁橫向聯(lián)系，提高整體共同工作性能。

9. 更換伸縮縫，做好防洪、排水設(shè)施。

10. 增設(shè)主拱及橋墩防撞設(shè)施，設(shè)置導(dǎo)航標志以適應(yīng)目前運河通航要求。

11. 維修加固后應(yīng)注意后期的養(yǎng)護，定期檢查。

工程完工后，經(jīng)檢驗各項指標均符合設(shè)計要求，通過了相關(guān)部門的驗收，達到了加固的目的，效果良好。

三、結(jié)論與建議

采用碳纖維加固可以增加構(gòu)件的抗彎、抗剪能力，能夠在基本不改變原結(jié)構(gòu)截面尺寸和不增加原結(jié)構(gòu)重量的前提下，提高構(gòu)件承載力，能夠增加構(gòu)件的延性，提高抗震能力。同時對構(gòu)件的表面有保護作用，可有效控制原裂縫的發(fā)展和抑制新裂縫的產(chǎn)生，加強結(jié)構(gòu)的整體性，延長構(gòu)件的使用壽命，達到提高承載力和耐久性的目的。

與傳統(tǒng)加固方法相比，采用碳纖維材料進行橋梁加固，具有加固效果好、施工方便、周期短的優(yōu)點，尤其是其輕質(zhì)高強，便于對不同受力部位的構(gòu)件進行加固，值得在橋梁加固工程中推廣和采用。

需要注意的是，原構(gòu)件混凝土強度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場強度檢測值，不宜簡單采用原構(gòu)件設(shè)計時的混凝土強度設(shè)計值。采用纖維復(fù)合材料加固受壓柱時，原構(gòu)件混凝土強度等級不宜低于C15。采用碳纖維復(fù)合材料加固梁、板時，混凝土強度等級不宜低于C25。