增大截面法在雙曲拱橋加固中的應用

楊雪

（北京中交橋宇科技有限公司）

增大截面法在雙曲拱橋加固中的應用

楊雪

（北京中交橋宇科技有限公司）

以廣西某雙曲拱橋為例，對該橋目前所呈現的各種病害歸納匯總和成因分析。通過增大拱肋截面并增大橫系梁截面的方法來提高橋梁承載能力、增強主拱剛度、橫橋向穩定性以及改善橋梁行車舒適性的思想對此類橋梁進行加固，以期給類似橋梁的加固改造提供參考。

雙曲拱橋；增大截面；橋梁加固

1 引言

雙曲拱橋由于節省材料、造價低廉、施工簡便、造型美觀等特點，在我國橋梁建設中得到了廣泛應用，是我國20世紀60～70年代建設最多的一種拱橋形式。近年來，隨著我國路網改造、舊路改建和公路等級的提升，交通量的日益增大，重型車輛的日漸增多，限于雙曲拱橋當時設計水平和荷載等級標準較低，加之結構的鋼材用量少，使得雙曲拱橋在運營一段時間后，都出現了不同程度的病害，嚴重影響橋梁的使用壽命和通行安全。

本文在總結分析雙曲拱橋各種病害類型及其產生原因的基礎上，著重研究雙曲拱橋的加固方法，最后結合工程實例，介紹增大截面法在加固雙曲拱橋中的運用，并運用大型空間有限元軟件midas-civil對加固前后的結構受力狀況進行分析。結果表明，對現有雙曲拱橋進行合理的加固改造，可以恢復提高其承載能力，對于消除交通隱患、提高通行能力具有重要意義。

圖1 雙曲拱橋型布置圖

2 工程概況

該雙曲拱橋位于廣西省境內，全橋共3跨，橋長179.40m，橋寬9.00m。該橋為上承式鋼筋混凝土助拱橋。橋面布置為1.00m（左側人行道）+7.00m（車行道）+1.00m（右側人行道）。大橋上部結構為3×50m上承空腹式鋼筋混凝土雙曲拱橋，橋下凈高28.35m，矢跨比1/6；下部結構為重力式橋墩，重力式U型橋臺，擴大基礎。該橋于1991年竣工，設計荷載為“汽-20”，設計洪水頻率50年一遇。

3 橋梁病害及成因分析

3.1 主要病害情況

（1）全橋橋面共存在6處坑槽、2處鼓包、9處破損、23處開裂、1處劃痕，橋面中央分割線上瀝青縱向開裂，裂縫松散，左側橋面均有不同程度鼓包，車痕。

（2）全橋拱肋、拱波出現多處縱向開裂、破損露筋病害；全橋腹拱圈出現多處橫、斜向裂縫以及破損露筋、滲水泛堿等病害。

（3）橋墩、橋臺以及拱座出現多處滲水泛堿、麻面以及開裂等病害。

3.2 主要病害原因分析

（1）隨著經濟發展，道路等級提級后，交通量加大，超限車輛加重了橋梁病害的發展。

（2）該橋施工質量較差，降低了橋梁結構整體承載能力，導致局部構件開裂、破損嚴重。

（3）橋面鋪裝破壞，雨水下滲，加速主拱、腹拱的病害發展。

4 橋梁加固方法

針對雙曲拱“化零為整”的結構特點、橋梁病害情況、現狀橋梁承載能力驗算結果以及目前該橋按照公路—Ⅱ級的荷載等級通行的多種情況，綜合考慮后，確定采用增大截面加固的方法。以下是具體加固措施。

1）雙曲拱主拱肋外包混凝土，底面加大20cm，主拱肋兩側加大12cm，主拱下橋臺前墻及墩臺縱向整體加大截面，以作新增外包截面基礎；主拱拱腳拱背增大截面。

2）對橫隔板進行增大截面加固，橫隔板底面與拱肋增大截面齊平。

3）腹拱拱腹增加厚度為15cm的鋼筋混凝土套拱，對近主拱頂的兩立柱墻外包30cm厚鋼筋砼加大截面，其余立柱墻增設40cm厚鋼筋砼牛腿，牛腿植筋錨固在拱座或立柱墻上。

4) 拱肋新增混凝土縱橋向分為四次澆筑，橫橋向先澆筑1、3、5#拱肋，再澆筑2、4#拱肋，每個節段混凝土待其強度達到設計強度的80%，再澆筑下一節段混凝土。施工前，在主拱肋拱頂、1/4點等處埋設變形及應變裝置，隨時監控拱肋關鍵部位的應變和變形變化，保證結構安全。加固后橋梁跨中橫斷加固見圖2。

圖2 雙曲拱跨中橫斷面加固示意圖

5 橋梁加固前后效果對比分析

5.1 計算方法

采用Midas/civil結構計算軟件，建立平面梁單元模型進行內力計算。拱上填料用梯形線荷載模擬，車道荷載作用于橋面梁單元，通過填料、腹拱及立柱傳遞至主拱肋。

5.2 驗算內容及荷載組合

主要計算加固前和加固后拱肋在拱腳、2號立墻處、4號腹拱與主拱交界處、拱頂控制截面在恒載、活載及溫度荷載等作用下的強度及穩定性是否滿足規范要求。（本報告中規定軸力以負值為受壓；彎矩以正值表示下緣受拉，負值表示上緣受拉。）

按照公路—Ⅱ級的荷載等級計算加固前和加固后腹拱圈拱腳、1/4、拱頂控制截面在恒載、活載及溫度荷載等作用下的強度是否滿足規范要求。

進行以上計算時考慮以下兩種荷載的組合，計算結果已經按照規范計入各分項系數。

（1）基本組合

組合一：1.0(1.2或1恒載 +1.4汽車荷載)

組合二：1.0(1.2或1恒載+1.4汽車荷載+0.8*1.4（整體溫度+收縮徐變）)

（2）正常使用極限狀態驗算組合

A.作用短期效應組合（組合Ⅱ）

組合一：恒載+0.7汽車荷載

組合二：恒載+0.7汽車荷載+0.8(整體溫度+收縮徐變)

B.作用長期效應組合（組合Ⅰ）

組合一：恒載+0.4汽車荷載

組合二：恒載+0.4汽車荷載+0.8(整體溫度++收縮徐變)

圖3 雙曲拱橋有限元計算模型

5.3 加固前計算結果

組合后軸向力最不利時主拱肋各控制截面的驗算結果見表1：

表1 組合軸向力最不利時拱肋各截面驗算結果

組合后彎矩最不利時主拱圈各控制截面的驗算結果見表2：

表2 組合彎矩最不利時主拱各截面驗算結果

組合后軸向力最不利時腹拱圈各控制截面的驗算結果見表3：

表3 組合軸向力最不利時腹拱各截面驗算結果

組合后彎矩最不利時腹拱圈各控制截面的驗算結果見表4：

表4 組合彎矩最不利時腹拱各截面驗算結果

通過表1至表4可知，主拱圈及腹拱圈各主要截面強度在承載能力極限狀態下均不滿足公路—Ⅱ級荷載等級要求。

5.4 加固后計算結果

組合后軸向力最不利時主拱肋各控0制截面的驗算結果見表5：

表5 組合軸向力最不利時拱肋各截面驗算結果

組合后彎矩最不利時主拱圈各控制截面的驗算結果見表6：

表6 組合彎矩最不利時主拱各截面驗算結果

組合后軸向力最不利時腹拱圈各控制截面的驗算結果見表7：

表7 組合軸向力最不利時腹拱各截面驗算結果

組合后彎矩最不利時腹拱圈各控制截面的驗算結果見表8：

表8 組合彎矩最不利時腹拱各截面驗算結果

通過表5至表8可知，主拱圈及腹拱圈各主要截面強度在承載能力極限狀態下均滿足公路—Ⅱ級荷載等級要求。

6 結語

本文以廣西某雙曲拱橋為例，采用增大截面的加固方法，驗算結果表明，該方法能有效增加橋梁橫向穩定性，使得各拱肋受力均勻，提高結構承載能力，滿足道路提級的需要，同時增大截面加固的方法并沒有改變原橋的截面形式，從而較為完整的保留了雙曲拱橋本身具有的美觀特性。因此，增大截面加固的方法對于類似橋梁的加固改造具有一定的參考價值。