雙曲拱橋加固方法的分析研究

申俊

（惠州市道路橋梁勘察設計院，廣東　惠州　516001）

雙曲拱橋加固方法的分析研究

申俊

（惠州市道路橋梁勘察設計院，廣東惠州516001）

以20世紀70年代建成的某雙曲拱橋為工程實例，根據現狀橋梁的病害特點，給出了針對該雙曲拱橋加固維修的兩種方法及其對應的計算結果。主要分析了兩種加固方案下，主拱圈截面加強、腹拱圈內襯混凝土、換填輕質混凝土等加固措施對雙曲拱橋主要構件的承載能力、裂縫、穩定性等指標的影響。通過對比得出結論：方案一通過增大拱圈截面及腹拱圈內襯鋼筋混凝土，可以提高主拱圈與腹拱的承載能力，但由于加載明顯導致橋墩蓋梁抗剪承載力，主拱圈穩定系數不足；加固方案二通過換填拱上填料為輕質混凝土并加高橋臺蓋梁，加固后可以很好地滿足雙曲拱橋的各項力學性能，相比方案一更具有優勢。

雙曲拱橋；舊橋加固；拱圈；拱上填料

0　引言

在我國，雙曲拱橋首創于20世紀60年代，這種橋型具有結構美觀輕便、造價經濟、施工便捷等優點，自創立之日起在我國各地都得到了廣泛運用與推廣。但是，由于該類拱橋整體性能差，拱肋和拱波容易開裂，設計荷載標準偏低，加上交通量連年增加和重載不斷出現，至今幾乎所有的雙曲拱橋都出現了不同程度的病害。因此如何合理評估此類雙曲拱橋，提出合理安全且經濟可行的加固方案，對于現在還在運營的雙曲拱橋的維修與加固具有現實意義。本文以某雙曲拱橋為工程實例，對比不同的加固方法，通過計算分析，比較探討了不同加固措施所達到的實際效果。

1　工程概算及病害調查分析

本文研究的拱橋為3×50 m雙曲拱橋，建于1978年，全長182 m，行車道寬8 m，橋面采用水泥混凝土鋪裝。雙曲拱每跨均由6片拱肋、15道橫系梁組成，拱圈矢跨比為1/6，下部為重力式墩臺。原結構設計荷載標準：汽—15級，掛車—80。其橋型立面布置及橫斷面見圖1、圖2。

該橋通行運營三十多年，由于自然老化及損壞，加上近年交通量的增加及車輛超載，導致該橋存在嚴重的病害，被檢測機構評為四類橋梁。其主要病害情況如下：

圖1　雙曲拱橋立面圖（單位：cm）

圖2　雙曲拱橋橫斷面圖（單位：cm）

（1）橋面系：橋臺引道及橋面鋪裝存在多處縱向裂縫與橫向裂縫；腹拱拱頂位置橋面板斷裂，局部小坑槽；路面板斷裂，橋面多處網裂。

（2）橋梁受力結構：主拱圈跨中底板存在露筋及鋼筋腐蝕現象；腹拱圈均有開裂，伴有滲水結晶；腹拱圈與拱上立墻滲水、泛霜及風化現象較為嚴重；兩側拱腳滲水，拱波多處滲水且有滲水泛白現象。

綜合上述橋梁病害情況，可知該雙曲拱橋的主要病害為主拱圈、拱波及腹拱均存在開裂露筋現象，橋梁整體性能較差；橋面鋪裝破壞，橋面面層剛度不夠等；拱肋保護層不足，局部鋼筋腐蝕，承載能力不足。需要進行維修加固以延長橋梁的使用壽命。

2　加固方案

根據本雙曲拱橋主要病害，結合常規的加固方法［1，2］，對該橋提出了兩個對比的加固方案。

加固方案一（見圖3）：更換全橋橋面行車道板，并增設伸縮縫、橋面橫系梁及側墻墻帽。主拱肋、拱肋系梁外包15 cm厚鋼筋混凝土；橋墩蓋梁頂采用鋼筋混凝土加大50 cm梁高。腹拱圈內襯25 cm鋼筋混凝土。

圖3　方案一主要加強措施

加固方案二（見圖4）：更換全橋橋面行車道板，并增設伸縮縫、橋面橫系梁及側墻墻帽。拱上填料采用輕質混凝土，容重調整為8 kN/m3；橋墩蓋梁頂采用鋼筋混凝土加大50 cm梁高。腹拱圈內襯25 cm鋼筋混凝土。

圖4　方案二主要加強措施

3　加固方案對比計算

3.1加固方案有限元模擬

針對上述兩種方案，采用有限元程序分別建模，對該橋進行結構檢算。驗算時采用三維線彈性方法。其中下部結構橋臺采用三維實體單元模擬；橋墩及蓋梁采用梁單元模擬。模擬計算時，橋墩橋臺基礎邊界統一采用階段一般支承進行約束，并采用土彈簧方式考慮墩柱周土層的約束作用。圖5為雙曲拱橋三維模擬圖。

圖5　雙曲拱橋三維模擬圖

主拱圈結構采用梁格法模擬，拱肋間橫向連接采用橫向虛擬梁單元連接。拱腳與墩臺蓋梁采用公用節點的方式連接。拱上橫墻與腹拱采用厚板單元模擬，由于主拱圈的拱上建筑結構既不是梁板式結構也不是純拱式結構，所以拱上建筑結構參與整體結構體系的聯合受力效應作了折損處理，對橫墻與主拱圈及橫系梁節點的結合約束剛度及腹拱節點與橫墻節點的結合約束剛度進行折損處理。

模型中結構材料容重根據規范取值，汽車荷載按公路Ⅱ級荷載標準計算，偏載及沖擊力按規范計算。溫度作用及基礎沉降均與原橋設計資料保持一致。根據不同的加固方案，將效益組合按規范進行組合，檢算加固后橋梁的各種力學指標。

3.2主拱圈檢算對比

表1　主拱圈抗彎承載能力檢算對比表

表2　主拱圈抗剪承載能力檢算對比表

表3　主拱圈裂縫檢算對比表

表4　主拱圈面內穩定性檢算對比表

根據現有公路橋梁規范，取拱圈拱腳、L/4處及拱頂處截面為檢算控制截面，分別對比分析兩種加固方案下拱圈的承載能力［3］、裂縫、穩定性（見表1～表4）。對于主拱肋外包鋼筋混凝土時，拱肋橫斷面中，外包的凹形斷面作為疊合截面進行考慮，凹形疊合組件的混凝土濕重由原主拱圈結構承受，凹形疊合組件只承受部分新施工的二期恒載及部分活載的效應。

通過對比分析可知，方案一通過加大拱肋截面，雖然顯著提高了拱肋的抗彎與抗剪承載能力，但是由于加固方案一的增載效果非常明顯，造成拱肋裂縫寬度加大且平面內穩定性系數無法滿足要求。加固方案二由于減載效果明顯，改造后拱肋的承載能力、裂縫寬度及平面內穩定性指標比較容易控制。

3.3橋墩蓋梁檢算對比

表5　橋墩蓋梁抗彎承載力檢算對比表

表6　橋墩蓋梁抗剪承載力檢算對比表

表7　橋墩蓋梁裂縫檢算對比表

根據現有公路橋梁規范，取橋墩蓋梁的支點處與跨中處截面為檢算控制截面，分別對加固前兩種加固方案下蓋梁的承載能力、裂縫進行對比分析（見表5～表7）。橋墩蓋梁橫斷面采用鋼筋混凝土加高50 cm，截面的加高部分作為疊合截面進行考慮，只承受部分新施工的二期恒載及部分活載的效應。

通過對比分析可知，方案一由于加大拱肋截面，增載效果明顯，原橋墩蓋梁內力剪力較原結構明顯增加，且遠超過了原結構的抗剪承載力，所以加固方案理應顯著提高原結構的抗剪承載能力。但是，由于橋墩蓋梁與橋墩柱子、主拱圈拱肋和拱波等構件相互交錯，錯綜復雜，造成諸如外包鋼箍等有效提高抗剪能力的加固方案難以實施。

加固方案二由于換填輕質混凝土后減載效果明顯，改造后橋墩蓋梁的承載能力、裂縫寬度、指標比較容易控制。

4　結　論

本文結合現有的一聯3×50 m雙曲拱橋的現有病害，提出兩種加固方案，利用有限元模型模擬兩種加固方案下橋梁主要構件的承載能力、裂縫、穩定性等指標。通過對比計算發現通過加大拱肋截面可以很好地提高拱肋的承載能力，但是同樣由于加大截面帶來的增載，導致橋墩蓋梁抗剪承載能力不足，主拱圈穩定性安全系數略為不足。加固方案二通過換填輕質混凝土，改造后橋梁各構件的承載能力及裂縫寬度指標比較容易控制，但此方案的施工可操作性較差，且施工風險較高。因此，現實中對雙曲拱橋的維修加固應因地制宜，根據病害情況選擇合理的加固維護方案，以達到最好的效益比。

［1］毛瑞祥，徐岳.特危雙曲拱橋加固與評定新探索［J］.西安公路學院學報，1993（2）:14-18.

［2］周志祥，賀鵬，等.大跨度雙曲拱橋維修加固研究［J］.重慶交通學院學報，2004（6）：118-122.

［3］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁設計規范［S］.

U445.7+2

B

1009-7716（2016）07-0167-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.048

2016-02-18

申俊（1985-），男，湖南衡陽人，工學碩士，工程師，從事橋梁工程設計工作。