復合拱圈加固圬工拱橋加固技術探討

喬天　喬文靖　徐思平

摘 要：鋼筋混凝土復合拱圈加固法是圬工拱橋加固中最常用的一種方法，本文從復合拱圈加固圬工拱橋加固構造、使用材料、受力特點和技術特點論述了該加固方法，綜上考慮復合拱圈加固法施工工藝流程清晰，施工工程量不大和施工技術較簡單，故該加固技術值得在工程實踐中推廣和應用。

關鍵詞：復合拱圈；加固構造；受力特點；工程實踐

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.066

0 引言

圬工拱橋由于造價低廉，造型優美，取材方便，潛在的承載力大等優點，大部分修建于20世紀60～70年代。但是現存在役拱橋，由于設計病害較多和荷載標準較低，已不適用交通量日益增長的需求。將這些圬工拱橋全部重建，既不科學也不現實。因此，危舊圬工拱橋的加固維修，其任務十分繁重。對圬工拱橋的加固設計和施工方法，進行深入系統的理論研究與技術完善，該方法有重大的社會和經濟效益。常用的圬工拱橋加固方法是鋼筋混凝土拱肋加固主拱圈的加固法，將一層鋼筋混凝土拱肋增設在原拱圈的兩側面和拱腹，以此增大拱圈橫斷面，形成圬工和鋼筋混凝土的復合拱圈，提高圬工拱橋承載能力 [1-2]。

1 圬工拱橋復合拱圈加固加固方法的構造技術

當圬工拱橋承載力不足時，可以采用復合拱圈加固法，而導致圬工拱橋承載力不足的原因主要有圬工拱圈開裂、拱石風化、砂漿脫落和圬工拱圈發生不可恢復的變形等情況。該加固技術將鋼筋混凝土拱肋設置在原圬工拱圈兩側面和拱腹，或僅在原拱圈拱腹增設鋼筋混凝土拱肋，增設拱肋之間用橫系梁連接，最終形成鋼筋混凝土加固層與原圬工拱圈共同承載的復合主拱圈。復合主拱圈以增大復合結構強度和剛度，在荷載作用下，協調變形，共同作用，提高加固后圬工拱橋承載力。加固中應特別注意新舊拱圈的密切結合，為了使原拱圈與新增拱肋共同受力，有效地聯結，需要在原主拱圈頂面下預埋錨固鋼筋，預埋鋼筋安裝時，需要伸出頂面，即穿透拱圈，與現澆加固層中的鋼筋網焊接[3-4]。鋼筋混凝土復合拱圈加固設計能有效提高結構的整體性和耐久性。其中主拱圈是圬工拱橋的主要受力構件，由于橋梁超載和常見病害引起圬工拱橋承載力不足，采用鋼筋混凝土形成的復合拱圈加固圬工拱橋可以改善承載力功能失效[5-6]。因施工工程量不大、施工技術較簡單和工藝流程清晰，故該加固技術值得在工程實踐中推廣和應用。

目前，復合拱圈加固圬工拱橋技術分為鋼筋混凝土拱板加固技術，拱肋加固技術和板肋加固技術。增設鋼筋混凝土拱板主要針對主拱圈較窄的圬工拱橋，將鋼筋混凝土制成的拱板加固層，沿原主拱圈的拱腹下增設一層，形成復合拱圈。根據復合拱圈共同作用和協調變形來共同承擔后期荷載，提高加固后橋梁的承載力，以此，達到增大復合拱圈剛度和強度的目的。若拱圈寬度較大，可以采用鋼筋混凝土板肋和拱肋加固，改善主拱圈病害嚴重，提高結構承載力嚴重不足的拱圈結構。鋼筋混凝土拱肋加固是在拱腹下增設鋼筋混凝土拱肋，拱肋的數目和尺寸可以根據計算確定，可以在拱肋之間增設橫系梁加固，增強拱肋與原拱圈之間的橫向聯系，同原拱圈共同承擔后期恒載。鋼筋混凝土板肋加固可以先增設鋼筋混凝土拱肋，可以根據計算確定拱肋的數目和尺寸，之后再現澆混凝土橫系梁或拱板，與之前澆筑好的拱肋共同參與原主拱圈受力變形和承擔后期荷載。目前較為實用的是鋼筋混凝土板肋和拱肋的加固技術，因為拱肋加固層自重較小，減輕原結構的負擔，在原主拱圈內不會產生較大的附加恒載，同時可以節省材料用量[7-8]。

2 復合拱圈的受力特點

2.1 復合拱圈的受力性能

復合拱圈由鋼筋混凝土加固層和圬工原拱圈組成，其受力特性與原主拱圈單純受力，有一定的差異，其受力特征主要體現在：

（1）加固后的拱圈屬于復合截面。復合拱圈由鋼筋、混凝土和圬工砌體這三種材料共同合成，因此，必須控制好原拱圈和加固層的施工工藝和處理技術，使新老拱圈之間能夠共同工作和協同受力。基于的大量工程實踐研究結果，在加固[基金項目：1、 西安工業大學大學生創新項目；2、 西安工業大學校長基金（XAGDXJJ14019）]結構中，組合截面會出現彎、剪、拉、壓等復合應力，其中以剪力和拉力為主。當復合拱圈承受荷載，處于彈性工作階段時，加固層和原拱圈共同承擔組合截面的法向應力和剪應力。而當復合拱圈承受荷載，在開裂極限即塑形階段時，錨固筋承受荷載而產生的剪切磨擦力，這部分力承擔了復合拱圈的法向應力和剪應力。基于上述研究，新老拱圈的粘結好壞是加固的關鍵技術，該技術直接影響著復合拱圈的受力。所以，加固時必須要對原拱圈和加固層進行涂刷處理，二者之間需要增配適量的錨固鋼筋，增強原主拱圈和加固層之間的粘結性，使原拱圈和加固層作為復合截面，協同受力和傳力有效，達到共同工作的目的 [9]。

（2）加固結構二次受力。復合拱圈加固前后的原拱圈的受力差別較大，因為復合拱圈新增鋼筋混凝土加固層的二次受力，這種受力特性的變化給加固后復合截面承受荷載時，其驗算增加了復雜程度。復合截面的原拱圈除了承擔自身重量之外，還承擔了新增加固拱圈的重量，這樣，加固前原拱圈承載能力已部分使用，而加固拱圈潛在承載力能力與原拱圈余下的承載能力共同承擔新增荷載。基于上述分析，新老拱圈復合截面在共同承擔的新增荷載中，原拱圈中的應力和應變將一直延滯于新的復合拱圈中，產生應變和應力。基于復合拱圈二次受力性能的差別，所以普通鋼筋混凝土結構和加固結構的原理和方法對加固結構受力進行計算時不可以照搬。

2.2 原拱圈砌體受壓破壞的過程

復合拱圈在承受后期荷載直至破壞，主要是圬工部分受壓破壞。為了更好研究復合拱圈受力性能，有必要研究砌體結構的受壓破壞過程。基于國內外大量的工程實踐和試驗研究數據，受壓砌體從開始加載直至破壞，根據砌體結構中裂縫出現的部位和時間段，以及其裂縫延伸的情況，破壞過程主要有：

第一階段：對砌體加載，當荷載逐漸增大，砌體上出現第一批裂縫。此時，單塊砌塊內顯現微小裂縫。最后，通過試驗結果表明，當荷載為最終破壞荷載的50～70%時，第一批裂縫產生于砌體內。endprint

第二階段：隨著施加荷載逐漸增大，單塊砌塊內不斷發展裂縫，逐漸連的裂縫通成一整段形狀，該裂縫沿砌體豎向發展到相鄰砌塊內。此時，荷載恒定不變，但是砌體中裂縫寬度和長度仍會繼續發展，測試的千分表指針讀數繼續增大，此時的荷載約為破壞荷載的80～90%之間。

第三階段：繼續增加荷載，砌體的裂縫會繼續加大和加寬，砌體結構因為被壓碎而喪失穩定性，結構完全破壞，此時的試驗強度稱為砌體的破壞強度，其荷載稱為砌體破壞荷載。

綜上所述，當圬工砌體承受壓力時，砌體內的砌塊受力狀態是極其復雜的，不再是理想中的均勻受壓狀態，而是彎曲、剪切和拉應力的共同作用。砌塊的抗壓強度較高。故在復合拱圈加固圬工拱橋破壞過程中，要充分考慮砌體受壓破壞過程。

3 復合拱圈加固圬工拱橋的技術特點

圬工拱橋采用復合拱圈加固技術，整體上提高結構的耐久性和整體性，較大幅度地提高復合拱圈的極限承載力，達到增大復合結構強度和剛度的目的。其加固技術優點如下：

（1）鋼筋混凝土加固層增大了原主拱圈的截面尺寸，當復合拱圈共同作用并承擔后期荷載時，復合結構會協調變形，以此達到增大復合拱圈剛度和強度，提高加固后圬工拱橋承載力的目的。

（2）原主拱圈與新增鋼筋混凝土加固層共同作用，分擔橋梁荷載，可以減小原主拱圈在荷載作用下的拉壓應力，加固結構受力更為合理。

（3）鋼筋混凝土加固層可以采用現場澆注施工，達到較高的混凝土強度，其加固增強效果較噴射混凝土等技術更為顯著。

（4）鋼筋混凝土加固層加固圬工拱橋的主拱圈，加固結構耐久性好，主拱圈的抗腐蝕性，防水性和抗風化性較好。

（5）因施工工程量不大，所以從施工技術層面考慮，該施工工藝流程清晰，施工技術較為簡單，故鋼筋混凝土復合拱圈加固技術值得廣大工程技術人員在工程實踐中大力推廣和應用。

（6）從社會影響角度來看，復合拱圈加固過程中，可以不必中段中斷交通時間或中斷時間相對較短，其對社會交通影響較小。

綜上所述，對這種在役危舊圬工拱橋的復合拱圈加固理論和施工工藝進行深入系統完整的技術開發與理論研究，是有著重大的社會和經濟效益，可以促進廣大縣鄉地方的經濟發展，對支持國民經濟發展和我國公路建設也有重要的意義。

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[9]吳躍梓，章勁松.增大截面法加固石拱橋的技術應用[J].合肥學院學報，2012，22（03）：79-82.

基金項目：1、 西安工業大學大學生創新項目；2、 西安工業大學校長基金（XAGDXJJ14019）

通訊作者：喬文靖（1981-），女，西安人。endprint