三跨雙曲拱橋病害特征及改造方案分析

黃 鵬，胡瀟月

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都610072；2.四川美姑河水電開發(fā)有限公司，四川成都610072)

雙曲拱橋將主拱圈以“化整為零”的方法按先后順序進行施工，再以“集零為整”的方式組合成承重的整體結構，充分發(fā)揮了預制裝配的優(yōu)點，可以不要拱架施工，節(jié)省材料，施工進度快，且造型美觀等優(yōu)點[1]。由于符合當時我國橋梁建設國情，自20世紀60年代由我國創(chuàng)造出雙曲拱橋以來，該橋型已經(jīng)在全國很多省份得到廣泛應用。

著名的南京長江大橋的公路引橋上，具有二十二孔、長約760 m的雙曲拱橋。據(jù)統(tǒng)計，雙曲拱橋問世后10年內(nèi)，我國大約有4 000座該種橋型的橋建成，共約30×104m，對我國交通建設和經(jīng)濟發(fā)展起到了積極的作用[2-4]。

隨著交通量的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，對橋梁的承載能力要求越來越高。由于時代背景原因和自身的結構特點，雙曲拱橋結構整體性差，施工質量變異大，設計荷載標準偏低，鋼筋用量少。因主拱圈分期形成，呈現(xiàn)組合結構的受力特征，整體性較弱。很多雙曲拱橋長期處于超載和大交通量條件下運行，且年久失修，幾乎所有的雙曲拱橋都出現(xiàn)不同程度的病害，嚴重威脅交通安全[5-7]。

新建橋梁結構選型時，雙曲拱橋逐漸被其他橋型替代[1]。但考慮到經(jīng)濟成本，原有雙曲拱橋的改造要根據(jù)自身病害特征和荷載要求來確定改造方案。而每座雙曲拱橋均有著自身特有的結構受力和病害特征，本文依托某三跨雙曲拱橋，對其病害特征進行了分析，并提出了改造建議。

1 工程概況及病害類型

該橋三跨雙曲拱橋，由于本橋設計圖紙和竣工圖紙缺失，現(xiàn)場測量本橋計算跨徑23 m；橋梁跨徑布置為3×23 m。橋面凈寬為凈9.0 m+2×0.75 m人行道；大橋上部結構采用3孔凈跨徑為23 m的等截面懸鏈線空腹式鋼筋混凝土雙曲拱。大橋主拱圈由7肋6波組成，各片主拱肋寬均為30 cm。橋面采用整體混凝土鋪裝。橋梁約建設于上世紀80年代，當時的設計荷載估計為汽-15級，掛-80。目前橋梁破損較嚴重，行車不順，部分受力部位出現(xiàn)斷裂錯位(圖1、圖2)。

圖1 大橋平立面布置

(1)上部結構：拱肋出現(xiàn)了主拱圈開裂、多處較大面積的混凝土破損露筋、與拱波結合處開裂、混凝土嚴重老化、倒角混凝土破損、水跡白化、混凝土較大面積脫落以及違章建筑等問題。立柱的問題主要有斜向開裂、縱向開裂、環(huán)向開裂、局部壓裂、混凝土脫落、露筋、麻面等問題。橫向連梁、系梁出現(xiàn)麻面、混凝土脫落、倒角破損、受力關鍵部位開裂、混凝土老化、露筋等問題。除以上所述之外，還有拱波縱向開裂、拱波表明凹凸不平、局部落筋等問題。

(2)橋面系：橋面板出現(xiàn)混凝土老化、破損開裂、露筋且銹蝕嚴重。橋面鋪裝混凝土麻面、破損，橋臺接坡處跳車；緣石橫向開裂，護欄立柱下方混凝土破損；護欄立柱底部環(huán)向開裂，擋板開裂、橫桿缺失；全橋泄水孔堵塞。

(3)下部結構：拱座基本出現(xiàn)倒角混凝土破損露筋，樁基麻面、露粗骨料，橋臺堆放雜物。

(a)拱肋砼脫落 (b)立柱側面砼開裂

(c)橫梁側面破損露筋 (d)拱肋間拱波縱向開裂

(e)底面露鋼筋網(wǎng) (f)拱座倒角處砼破損露筋

2 病害特征與原因分析

為了分析病害的嚴重程度，對各類病害進行分析，將影響橋梁結構受力、危害嚴重的病害按照部位進行統(tǒng)計分類，并進行影響程度評價分析。表1為影響受力的病害特征表。

根據(jù)病害類型和位置，主拱圈裂紋有可能由于基礎沉降，或者拱軸線系數(shù)較大以及橋面荷載超出原設計要求導致拱頂正彎矩過大產(chǎn)生。拱波出現(xiàn)縱向裂紋是由于建造時分開澆筑，拱波頂部形成拉力，易產(chǎn)生縱向裂縫。而環(huán)境的長期侵蝕，加上各部位由于受力導致的位移變形，導致混凝土老化、脫落等。設計截面尺寸較小，導致立柱和橫系梁抗彎、抗剪能力弱，過大載荷作用引起的主拱圈拱肋間位移和內(nèi)力重分布，造成立柱和橫梁的局部破壞。主拱圈的剛度不足或橋上載荷較大將引起拱波開裂和混凝土破損露筋。過大的受力導致橋面板出現(xiàn)損傷，較差的整體性也會導致附屬結構的缺失和開裂。

雙曲拱橋病害，從根本上主要有三個原因：

(1)設計標準較低。雙曲拱橋建造的時代背景是資源短缺、經(jīng)濟欠發(fā)達，為了達到經(jīng)濟、實用的目的，在設計環(huán)節(jié)中存在承載力設計標準、路面等級低等問題。

(2)設計理論不完善。該橋型是在實踐過程中創(chuàng)造出來的，受力機理和關鍵技術沒有經(jīng)過深入的科學研究就大范圍推廣，導致基礎處理不當、細部構造不完善、拱軸線不合理、截面尺寸偏小、剛度和強度不足等。

(3)橋梁施工質量較低。由于缺乏專業(yè)的橋梁人才，存在大量經(jīng)驗指導施工過程現(xiàn)象，施工流程、施工工藝存在缺陷，直接影響橋梁的承載力和耐久性等，產(chǎn)生施工質量問題。

(4)現(xiàn)代交通量增長迅速，導致雙曲拱橋承載超出設計。雙曲拱橋設計標準較低，公路等級、橋梁承載力要求不斷提高，橋上荷載的不斷加大。過重車載作用，加上自然環(huán)境的作用，拱橋構件會發(fā)生各種損失和破壞。

表1 病害特征表

3 改造方案分析

根據(jù)病害的匯總和分析可以發(fā)現(xiàn)，該雙曲拱橋上部主體受力結構、橋面系以及附屬結構均破壞嚴重，需要加固或者改建。而基礎部分，初步判定破壞不嚴重。根據(jù)以上情況，制定四個方案進行比選。

3.1 方案一：全橋加固

優(yōu)點：結構保持原有橋型，僅需針對需加固部位進行加固設計和施工。

缺點：施工復雜、技術要求高。因原始圖紙缺失，加固驗算難度大，加固后承載力無法保證，需進一步評估。同時由于結構破壞嚴重，加固成本較高，幾乎上部結構所有部位均需要大范圍加固。但加固后的橋梁荷載也僅能滿足現(xiàn)有的汽-15，橋梁需要設置限載標志，對車輛通行存在安全隱患。

3.2 方案二：拆除拱肋以上部分重建

優(yōu)點：充分利用原有拱結構的受力，新建部分有條件的保證了上部結構的承載力。

缺點：拱肋加固后承載力無法得到保障，且需要對拱肋進行加固，加固設計和施工技術難度高。

3.3 方案三：拆除基礎以上部分重建

優(yōu)點：上部結構拱肋拆除后采用預應力砼空心板梁，可直接工廠預制后吊裝，施工技術成熟，上部結構承載力能滿足要求，利用原樁基，節(jié)約投資。

缺點：基礎承載力無法保障，需要重新檢測樁基承載力是否滿足上部結構采用板梁以后的使用要求，若不滿足，樁基需要一并拆除重建。

3.4 方案四：全部拆除重建

優(yōu)點：按照現(xiàn)有規(guī)范城-B荷載進行設計，橋梁整體承載能力有保障，適應當前交通要求，安全可靠，使用年限長，避免短期內(nèi)再次改造。

缺點：上、下部結構需全部重建，造價略高。

各方案的基本參數(shù)對比如表2，表中造價按照經(jīng)驗為粗略估計，僅作參考。

根據(jù)以上對比可知，如果原有基礎能達到承載力要求，拆除基礎以上部分，利用原基礎進行重建是最優(yōu)方案。但該方案前提為基礎承載力的檢測。

如果經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)，原有基礎承載力達不到承載力要求，則上部結構加固方案也不可行，只能全部拆除重建或對基礎進行加固。對基礎進行加固后，基礎承載力需要進一步評估。其造價與新建相差不大，且全部重建，承載力可達到設計要求。

根據(jù)檢測結果，基礎沉降以及結構性損壞不嚴重，初步判定該基礎承載力滿足現(xiàn)行要求。建議在基礎承載力評估滿足要求的情況下，采用方案三：拆除基礎以上重建。如果基礎承載力不滿足要求，建議采用方案四：全部拆除重建。

表2 改造方案指標對比

4 結束語

盡管雙曲拱橋對我國交通發(fā)展起到了積極的促進作用，但雙曲拱橋設計標準較低、設計和建造時理論研究不完善，導致其本身存在結構特征缺陷，不可避免的出現(xiàn)了各種病害，必須對其進行改造。通過對三跨雙曲拱橋的病害檢測結果分類統(tǒng)計分析顯示，幾乎所有部位均發(fā)現(xiàn)病害。根據(jù)雙曲拱橋病害特征，文章對其承載力影響進行評價，篩選了影響較大的病害類型，并進行了原因歸納和分析。針對該橋的病害情況，提出了該橋的關鍵改造評價指標，進行了四種改造方案的評價指標對比，建議針對該橋拆除基礎以上部分進行上部結構重建，并選用連續(xù)梁結構。

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