圬工拱橋加固方法

肖輝

【摘要】圬工拱橋作為早期建設的主要橋梁，在經歷長期的使用后出現不同程度的損壞，為保證橋梁的繼續使用，需要對其進行加固維修，采用套箍方式加固拱圈的加固方法是較常用的加固方法，本文結合實例對該加固方法進行了結構分析，使用的軟件是大型的有限元分析軟件Marc。

【關鍵詞】橋梁加固；套拱；圬工拱橋；結構分析

1、套拱加固方法計算理論

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，這種加固方式稱為鋼筋混凝土套拱加固，此法增大了主拱圈承載力，通過原主拱圈與外包層的協調變形、共同承擔荷載，提高了橋梁承載力。套箍加固法主要運用了三個基本原理，原理一：斷裂力學機理；原理二：增大受力面理論；原理三：套箍效應。

原理一：斷裂力學機理

①加固后，使得裂紋尖端應力強度因子減小很多，僅為原來的一半，這是因為鋼筋混凝土外包層使得原主拱圈表面裂縫變為內部裂縫。減弱了裂縫的開裂效果，從而有效地抑制了裂縫的擴展。

②由于套箍層的約束作用，鋼筋套箍產生強大的握裹力有效的阻礙了構件的橫向變形，減弱了裂紋的開展。

原理二：增大受力面理論

由于設置了鋼筋混凝土套箍，使得拱圈的截面面積增大，且混凝土強度高于圬工材料強度，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于彎矩等外力的承載能力。

原理三：套箍效應

原主拱圈處于單向受壓狀態，無側壓約束，設置套箍層后，使原拱圈受到三向壓力，約束各向裂縫的發展，提高了原主拱圈抗壓承載能力。

2、鋼筋混凝土套箍加固圬工拱橋的受力機理

鋼筋混凝土套箍加固圬工拱橋由鋼筋、混凝土和圬工材料三種材料構成。圬工材料抗壓能力強，但抗拉能力弱，需要通過其他材料來補足抗拉強度。砌體材料通過植筋的方式與套箍有效地粘接在一起，共同受力，從而提高原構件的承載力。但此時應考慮原結構由于損壞而產生的截面損失。

由于結構在加固前后，加固后的組合結構與原拱圈所承受的荷載各有不同：原拱橋自重由原拱圈單獨承擔（對于橋面及拱上建筑破損嚴重的，可予以清除，在荷載計算時則不予考慮）；加固后的所有結構的重力（包括重做的新橋面系）、可變活載則由原拱圈與混凝土套拱組合結構共同承擔。對于原主拱圈的受力情況，分別計算加固前主拱圈的受力及加固后主拱圈部分所受力進行疊加即可。具體模型操作是：先計算原結構的永久荷載（被替換掉的結構重力不計），不加后期荷載；再對組合結構進行計算，加入計算可能出現的各種工況（包括溫度變化、橋面及基礎沉降等可變作用）；然后將這兩種情況下的主拱圈的受力進行疊加。

3、套拱加固的截面形式

對于約束混凝土的套箍效應在大偏心荷載作用時減弱較多。再加上拱上建筑的影響，可對部分區段可以采用的“U”型截面來加固拱圈。

4、實例分析

通過對重慶的風景橋及長梗橋采用大型通用有限元分析軟件Marc進行了套拱加固的結構方面的分析。由原主拱圈各主要控制點的主應力的數據分析得出各點的彎矩的變化趨勢，可以發現加固后：拱腳處于下彎的趨勢； 1/8跨的壓力線趨于拱軸線位置；1/4跨處于上彎的趨勢；跨中處于上彎的趨勢。這說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。

根據實腹式懸鏈線拱軸計算圖式可知，由于套箍加固，在拱圈的下緣加固拱圈，這樣組合結構使原拱軸線下移，可知原來在 /4點處的彎矩零點向拱腳靠近，拱腳附近拱軸線偏心減小，而拱頂區域偏心較大。對于拱橋一般在拱腳處比其他地方受力要大，可考慮通過減小拱腳處的應力，增大跨中截面的應力來均衡拱圈的應力。由上面的實例分析可知彎矩零點向拱腳靠近，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。相應的由于拱軸線下移，導致兩端 /4跨點之間（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置了鋼筋混凝土套拱，鋼筋對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，套拱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。

5、套拱加固的缺點

套拱加固拱圈主要有四個缺點：一、損壞原拱圈。要保證套拱與原拱圈協同受力，則必須這兩個構件連接牢固，連接方式可采用植筋的形式，這就需要在原拱圈上鉆孔，對原拱圈有結構上的損失，特別是對于一些風化嚴重的拱圈將可能導致拱圈的損壞。二、壓縮河道，影響排水及通航。套拱的設置占用了橋下凈空，對一些通航及排水要求嚴格橋梁將不適用。三、支架架設不便。套拱制作時需要支架來支撐，對于跨越深谷，深水以及交通繁忙的橋梁架設支架則相當的麻煩。四、增大基礎負重。套拱的重量也是要基礎來承擔的，這對于原基礎來說是額外的負重，需驗算基礎的承載力，如承載力不足，則同樣需加固基礎，增大工程量，且有可能壓縮河道，影響排水及通航。

6、小結

套拱方法加固拱圈明顯地提高了拱圈的承載力和耐久性，并且不影響橋梁的美觀。但是此法對不同的橋有不同的適用性。

參考文獻

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