淺談拱橋加固的技術要求及施工措施

杜永平

【摘 要】拱橋以其施工便捷、造價低、造型美觀等優點，六七十年代出現后即得到了迅速的推廣應用。我段區域內管養的大水溝1#橋、大水溝2#橋、高樓山1#橋，范壩橋等石拱橋，修建于上世紀七十年代，設計荷載低，均為汔-13拖60，加之現在交通量大，車輛負荷大，已不能承受現在如此之大的交通荷載，行車安全性差，急需維修。借著2015年G212線水泉至罐子溝公路角弓至罐子溝維修改造工程的契機，對我段管養的四座拱橋進行了加固，加固后設計荷載達到公路-Ⅱ級。文章中對拱橋加固的技術要求及施工措施進行分析，提出既經濟又施工可行，且能滿足加固后承載力要求的加固和施工方法。

【關鍵詞】拱橋加固；技術要求；施工措施

中圖分類號： U445.72 文獻標識碼： A 文章編號：2095-2457（2018）06-0198-002

1 拱橋加固技術現狀

1.1 損壞原拱圈

要保證拱橋與原拱圈協同受力，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。

1.2 壓縮河道，影響排水及通航

拱橋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。

1.3 支架架設不便

拱橋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。

1.4 增大基礎負重

拱橋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。

2 拱橋加固主要技術要求

2.1 拱橋加固計算理論

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拱橋加固，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。

2.2 擴大拱肋截面加固法

外包鋼筋混凝土加大拱肋，從而擴大拱肋的截面尺寸，增加拱肋斷面的含筋率，以提高拱肋的抗彎剛度。采用增大截面法進行舊橋加固改造時，由于新舊結構的材料性質或混凝土之間收縮率的不同，引起結構內力的重分布，在新舊材料或新舊結合面處將出現較大的拉應力，極易出現裂縫而影響結構的整體性。因此，必要時應該進行收縮應力的計算；在新舊材料或者新舊結構之間的結合面處采用增加纖維和采用性能相近的材料進行補強。

2.3 粘貼法加固主拱圈

通過在主拱肋受拉區底緣或受力薄弱部位粘貼鋼板或碳纖維布等材料，本法要求卸載之后再粘貼，才會產生作用，不然僅承擔活載。

3 拱橋加固技術方案

3.1 加固方案一：外包混凝土方案

加固措施：主拱肋外包15cm厚鋼筋混凝土； 橫墻外包15cm厚鋼筋混凝土，腹拱圈內襯25cm鋼筋混凝土。

計算條件：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。

加固方案一計算結果：主拱圈裂縫寬度、抗彎承載力、抗剪承載能力、主拱圈面內穩定性、腹拱圈縱橋向及橫橋向正應力等主要參數均滿足公路Ⅱ級荷載標準要求。

3.2 加固方案二：卸載，更換拱上填料為輕質混凝土（泡沫混凝土）

加固措施：更換全橋橋面系及腹拱圈，包括腹拱拱座、腹拱、側墻、拱上建筑，保留主拱圈及橫墻，拱上填料采用輕質混凝土，腹拱圈及拱座采用整體性更好的鋼筋砼。

計算條件：拱上填料采用輕質混凝土，容重調整為8 kN/m3進行計算（減載）。

加固方案二計算結果：由于加固方案二的減載效果，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。各構件均滿足公路Ⅱ級荷載標準要求。

3.3 總結

加固方案一增載明顯，原橋墩承載力及橋臺基礎面臨滑移的風險（基礎的抗滑移安全系數不足的可能）尚應作進一步驗證。加固方案二由于較明顯地減輕了拱上建筑重量，受力情況分析較為合理，各主要構件基本能滿足要求。原橋結構拱上填料為素混凝土，厚度約為0.8～1m，而拱橋側墻保持為原有的漿砌片石結構，此方案需要鑿除拱頂素混凝土填料，由于素混凝土填料強度較高，且厚度較大，而拱板配筋較少，存在局部開裂的情況，鑿除填料過程難以保證拱板及拱圈的完整性，不確定因素較多，施工過程存在較大風險。以上兩個加固方案均以公路-Ⅱ級荷載標準進行驗算，荷載標準偏低，不滿足本橋作為主干道的荷載要求，另外，方案一估算建安費為532萬，方案二估算建安費為496萬，筆者認為本橋維修加固的效益不明顯，應考慮拆除重建。若舊橋拱上填料為砂礫等松散結構，且主體結構無明顯病害、交通量不大的情況下則可考慮采用減輕拱上填料的方法對舊橋進行加固處理

4 拱橋加固施工措施實例分析

4.1 實例分析一

通過對某風景橋及長梗橋采用大型通用有限元分析軟件Marc進行了拱橋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 1/4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 1/4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拱橋，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，拱橋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。

4.2 實例分析二

現以某3*50m雙曲拱橋為例， 橋梁全長182m，行車道寬8.5m，橋面采用水泥混凝土鋪裝。橋梁每跨均由6片拱肋、15道橫系梁組成，拱圈矢跨比為1/6，組合式U型橋臺及雙柱式橋墩，立柱直徑為2.5m。原橋設計荷載標準是汽—15級，掛—80，計算荷載標準提高為公路Ⅱ級；原橋拱上填料為素混凝土，容重按25 kN/m3計。

病害情況：墩頂處腹拱圈縱向貫通裂縫，對應橫墻開裂，裂縫寬度約20mm；第三跨拱頂處拱肋橫向開裂，裂縫寬度約5mm；第二第三跨邊拱波縱向開裂，裂縫寬度約5mm。

驗算條件：主拱圈的橫斷面中，由于拱肋、拱波及拱板均存在開裂現象，所以斷面的承載能力等性能指標相比整體現澆的斷面有所下降。因此，本計算對拱肋等主要構件的斷面承載能力等性能指標打8折進行考慮。

原橋結構計算結果：主拱圈拱頂處裂縫寬度不滿足要求；腹拱圈縱橋向及橫橋向正應力均不滿足要求；主拱圈壓彎承載能力，主拱圈抗剪承載能力、主拱圈面內穩定性均滿足要求。原橋主拱圈及腹拱圈的計算裂縫寬度指標超限（腹拱圈現狀開裂嚴重）；另外，由于橋面板整體連續，在基礎的不均勻沉降、汽車效應、溫度效應等工況作用下，造成橋墩處的橋面板的變形、內力均較大，計算裂縫寬度指標超限。

5 結語

目前，正在運行的公路鋼筋混凝土拱橋數量還比較多，其中的大多數都存在不同程度的病害，給橋梁的安全性、耐久性和可靠性帶來了不利影響。正確分析和總結既有拱橋的病害及其成因，以及對拱橋的加固和施工方案進行分析計算，對于橋梁的維修加固和施工選擇有著重要意義。

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