提升結構抗力的拱橋加固技術新方法研究

羅光，張云，楊明

（廣西翔路建設有限責任公司，廣西南寧 530029）

0 引言

橋梁投入運營以后，隨著運營年限的不斷增長，橋梁結構會相繼出現不同程度的破損、開裂，以及構件老化等現象，喪失了原有的承載能力。尤其在交通運輸方式快速發展的今天，公路交通網絡不斷向西部延伸，提升西部偏遠地區的公路運輸能力迫在眉睫。在交通量急劇增加的同時，重載車數量也隨之大幅增加，對橋梁結構安全、重載行駛的承載能力也提出了更高的要求。隨著交通量的增加，拱橋勞損以及病害的出現，加固技術的研究成為必不可少的一部分。同時，在滿足恢復或提高其承載力的基礎上，保障通行、降低維護費用、簡化施工工序、提高施工安全等因素成為加固設計中不可缺少的條件。

1 現階段國內外拱橋加固方法研究現狀與不足

1.1 現階段我國拱橋加固方法

現階段我國對拱橋的加固較傳統拱橋加固而言，不僅在新技術上進行了研究，更在原有的加固理論下進行了深入挖掘，提出了新的思路和方法，總體可以歸為以下幾種：

1.1.1 增大截面法

增大截面法即為加大拱圈截面尺寸，并在原拱圈承載能力不足的基礎上增加截面的配筋，以提高構件的整體剛度，改善了拱的受力性能。

1.1.2 粘貼法

粘貼法屬于增大截面法的一種，其不同之處在于主拱圈下緣受拉超過抗拉極限承載力時，主拱圈受拉側會產生不同程度的裂縫，導致拱圈承載能力、安全性以及可靠性降低。粘貼法即通過在拱圈受拉側粘貼鋼板等加固材料，增加截面剛度，提高拱圈的承載能力。粘貼法優勢在于其加固材料的多重發展，相較于增大截面法，更具有經濟適用性。

1.1.3 改變結構體系受力法

改變結構體系受力法是在拱橋上部恒載過大或是拱腳基礎承載力不能滿足要求時，拱軸線將發生改變，拱腳發生位移或是轉動，導致主拱圈的承載能力降低，從而改變拱橋受力狀況，減輕上部恒載，調整傳力模式，以達到加強效果[1]。

1.1.4 釋能法

釋能法[2]，同樣是改變原橋的結構受力體系，不同于改變結構體系受力法減輕上部恒載，釋能法在不干擾拱橋結構的情況下，對拱腳部分進行處理，例如將無鉸拱體系轉換為平鉸拱體系，釋放拱腳截面處產生的負彎矩，使得整個拱圈的內力發生重分布，從而可以充分利用主拱圈富余的截面強度，達到提高承載力的效果。釋能法的優勢在于可以明顯縮短拱橋加固工期，保證施工安全，同時不影響交通，節省加固施工費用及材料費用。

1.1.5 增加輔助構件加固法

在主拱圈下部增加拱肋，將新增加拱肋與主拱圈連成一體，共同受力。又或在主拱圈兩側增加拱肋，通過橫向聯結系與原拱橋結合，提高拱橋承載力[3]。

1.1.6 體外預應力加固法

體外預應力加固法在拱橋加固中分為縱向張拉預應力筋加固和橫向張拉預應力筋加固兩種方式[4]。若拱橋拱腳存在水平部分側向位移，可通過在拱腳部位加設錨固點，張拉預應力鋼筋或是采用鋼筋混凝土拉桿連接兩端拱腳，以達到限制位移，提高強度的目的。部分橋梁存在拱上建筑以及側墻外鼓、外傾現象，沿拱橋橫向設置預應力筋同樣可以提高橋梁承載能力。

1.2 國外拱橋加固方法研究現狀

1.2.1 拱橋加固設計特點

近年來，在發達國家，改造舊拱橋通常加上功能性翻新，根據某種方法，既考慮橋梁的特點、維護和功能需求，又把與修復加強系統涉及到的環境問題考慮進去。

克勞迪奧摩德納等人于2015年發表文章列舉了一系列拱橋加強方法[5]，包括減小負載、增加抗彎抗剪構件、局部加強、預應力體系加固、外貼FRP加固材料以及拆除替換未達標構件法等。

1.2.2 拱橋抗震補強設計

國外早期建設拱橋并未將橋梁等建筑受地震的影響納入拱橋設計當中，直到80、90年代美國和歐洲才將橋梁抗震寫入設計規范[6]。因此針對早期建設的拱橋進行抗震補強設計也被提上日程。針對拱橋抗震加固設計，國外使用的方法主要有加大橋墩截面并加入縱向鋼筋、對橋墩截面增加鋼護筒、局部構件加強提高動力影響下的力學行為以及加強基礎等。

1.3 國內外拱橋加固技術的不足

文中提到的幾種加固技術均已積累了豐富的工程實踐經驗，在拱上建筑加固技術中采用較為普遍的是增大截面、粘貼鋼板和灌漿技術等傳統方法，若采用的拱橋加固改造方案不合理，結構受力非但不能起到加固效果，反而會出現一些負面效應。比如采用灌漿技術加固對提高橋梁承載力極為有限。再如增大截面法缺點在于，粘貼材料與拱圈材料結合會產生拉壓應力，影響加固性能。

2 拱橋結構損傷成因及其影響

2.1 導致在役拱橋承載力不足的主要原因

通過對在役病害拱橋進行調查，結果表明，導致其承載潛力較為不足的主要原因可分為以下三類：一是活載“超載”，即橋梁設計荷載不能滿足橋上通行車輛的實際荷載，在目前的鋼筋混凝土危橋中這種“超載”較為普遍；二是恒載“超載”，這種情況主要是指既有道路改建過程中在橋梁上一次或多次直接加鋪半剛性基層與面層，引起的后期恒載“超載”，相比原設計，部分拱橋拱頂位置填料厚度多出近50cm，這種“超載”情況多存在于圬工或混凝土危舊拱橋中；三是上述兩種“超載”形式同時作用的情況。對拱橋采取加固設計時，應首先分析引起拱橋病害和承載潛力不足的原因，針對病害成因采取具體措施，徹底解決拱橋病害和承載潛力不足問題，恢復原有拱橋結構的耐久性能[6-8]。

2.2 拱橋結構損傷的不利影響

拱橋結構損傷的不利影響主要體現在三個方面：一是社會經濟的影響。拱橋結構損傷導致橋梁承載力下降，不僅增加行車安全風險，同時影響到道路通行能力，尤其是如今交通量與日俱增，更是無法滿足暢通的要求；二是橋梁維護成本增加。首先拱橋的加固技術仍然不夠成熟，雖然加固方法多樣，但是加固效果不甚理想；其次是不同拱橋的損傷類型、損傷程度不同，需要有針對性地分析后才能“對癥下藥”，拿出最佳方案，但是往往問題的分析過程是最大的難點；三是加固成本偏高。為橋梁維護帶來較大的經濟壓力。

3 提升結構抗力的拱橋加固新方法

3.1 基本原理及組成

本文的研究目的在于提供一種通過結構補強調節主拱圈內力并提升結構抗力的拱橋加固方法，有助于顯著增強主拱圈截面抗力，進一步恢復并提高舊橋的承載能力。如圖1a)所示的是正常荷載情況下拱軸位移變形量；圖1b)所示的是長期運營在交通量不斷增加的過程中即活載不斷增加時拱軸位移的情況，此時拱頂下緣與拱腳上緣產生較大的拉應力，導致位移量較大，主拱圈會出現損壞情況；圖1c)所示的是通過本文提出的解決方法處理后，在不增加結構荷載的同時增加了拱頂抗力，同時增加了拱腳的承載力，改善并一定程度上恢復了原結構的位移變形，在控制住結構繼續損壞的同時改善了結構的整體受力情況，使橋梁能夠在較低修復資金投入的情況下繼續安全通車。

圖1 不同荷載情況下拱軸位移變形量

拱頂區域澆筑一定厚度普通混凝土在提高截面抗力的同時適當增加截面高度；拱頂區域澆筑輕質混凝土對原有拱頂填土進行替換，從而從整體上改善拱橋受力環境。其優勢在于，一是增加截面高度提高截面抗力，二是可以有效減輕拱頂荷載，對拱頂內力進行調節，三是相對采用普通混凝土，沒有增加額外荷載，有效控制了拱腳上緣負彎矩的增加。在幾乎不增加自重的情況下達到增加結構整體高度，增加受壓區高度，從而解決拱頂上緣壓應力超標和拱腳上緣負彎矩超標問題，還可以起到調節主拱圈內力的作用；拱腳區域上緣增大截面區域有效地增加了截面高度和面積，極大增強了拱腳的抗力。拱腳區域下緣增大截面區域同樣是增加截面高度和面積，極大增強拱腳的抗壓能力。在增大拱腳截面面積的同時，拱腳自重也會相應增加，能夠起到“壓拱”的作用，降低拱腳負彎矩的同時減小了拱頂部位的正彎矩；拱頂區域下緣加固層可以采用粘結抗拉強度較高的材料進行加固處理，既可以達到提高結構抗拉強度的效果，又由于材料本身為輕質材料的特性使增加的結構自重可以忽略不計。

3.2 拱橋的加固流程

首先拱頂區域補強鋼筋預埋并焊接在原有的拱頂上緣表面，鋼筋布置完成以后進行拱頂區域普通混凝土澆筑工作，厚度控制在12cm左右；然后澆筑拱頂區域輕質混凝土，保護層厚度要滿足相關規范要求。完成拱頂區域普通混凝土與輕質混凝土的澆筑工作后再進行橋面鋪裝施工（圖2—圖4）。

然后進行拱腳區域上緣補強鋼筋焊接工作，補強鋼筋焊接在原有的拱腳上緣表面，厚度采用三角形漸變式，鋼筋布置完成后進行拱腳區域上緣的混凝土澆筑工作，保護層厚度要滿足相關規范要求（如圖2、圖5）。

圖2 提升結構抗力的拱橋加固結構示意圖

圖3 拱頂區域工字型換算主拱圈斷面結構示意圖

圖4 拱頂區域工字型換算主拱圈加固層布置圖

圖5 拱腳區域工字型換算主拱圈加固層布置圖

接著澆筑拱腳區域下緣混凝土，采用噴射混凝土或者現澆等方式均可，需完全包裹住拱腳區域下緣補強鋼筋等易腐蝕易生銹結構；若采用噴錨混凝土，其水灰比應為0.45，要保證混凝土向上噴射到指定的厚度，噴射時噴嘴與受噴面之間的距離控制在1m左右，其噴射效果最佳。

最后進行拱頂區域下緣加固層的施工。拱頂區域下緣加固層采用高性能的碳纖維布結合與之配套的樹脂浸漬膠粘結于混凝土構件的表面，其中碳纖維材料具有良好的抗拉強度，能夠有效提升構件承載能力以及增強構件的強度，或者采用貼鋼板的形式亦可。

3.3 技術特點分析

3.3.1 對拱頂的處置

設拱頂為圖3中的工字型截面。

（1）在拱頂區域上緣替換掉原有填土，植筋、加厚受力結構，主要為增加結構整體高度，增加受壓區高度，從而解決拱頂上緣壓應力超標問題。

（2）在拱頂區域下緣（拱頂到1/4跨徑附近，以實際計算為準）利用碳纖維布處理，能夠有效增加結構抗拉能力。以上處置有兩個優點：一是不增加恒載，不會對結構造成額外負擔；二是徹底改善截面，大幅度增大拱頂抗力；采用碳纖維布處理，能夠有效增加拱圈截面的抗彎、拉的能力。

3.3.2 對拱腳的處理

1/4跨徑附近到拱腳，以實際計算為準。

（1）在拱腳區域上緣加厚截面，增加截面高度，增大抗力。

（2）以彎矩零點為分界點，增大拱圈下緣截面，增大抗力。

以上處置的優點是可以增加截面高度和面積，極大增強拱腳的抗力，在增大拱腳截面面積的同時，拱腳自重也會相應增加，能夠起到一定的“壓拱”作用，減小了拱頂部位的正彎矩，實現調節拱軸壓力線的目的，提高了拱頂的截面抗力。

4 工程應用實例分析

4.1 水汶大橋概況

本文以207國道岑溪市水汶鎮內水汶大橋為工程實例（圖6），該橋由廣西壯族自治區林業局林業勘測設計隊設計，建于1977年[9]。

橋梁設計為3跨凈跨60m，凈矢高7.5m，拱軸系數m＝3.5的等截面懸鏈線空腹式雙曲拱。拱圈為5肋4波，重力式橋臺，沉井基礎重力式橋墩（圖7）。橋寬7.8m，橋面為凈7m+2×0.25m安全帶，舊橋設計荷載為汽-15，拖-80。該橋缺少竣工圖，設計資料顯示，前期設計階段采用6m鋼釬對橋位進行地質踏勘，確認河床下4.5～5m處為黑砂巖，因此，橋梁墩、臺均以黑砂巖為持力層。由于該橋原有的設計荷載已經不能滿足南渡至水汶二級公路荷載等級的要求，同時病害較多（圖8），因此需要對舊橋進行加固處理，提升橋梁的承載能力，將橋梁承載能力提升至二級公路荷載等級的要求（汽-20、掛-100）。

圖6 水汶大橋加固前全景

圖7 水汶大橋橋型結構示意圖

圖8 水汶大橋加固前病害細部照片

4.2 實測拱軸線

采用全站儀對橋梁上、下游兩側拱肋下緣邊緣線坐標進行現場實測（圖9）。

測得橋梁主拱凈跨為60.16m，凈矢高為7.49m。將拱底邊緣線實測坐標進行24等分，并將各等分線處的凈高值進行匯總，如表1所示。

圖9 現場測量照片

表1 水汶岸拱底24等分矢高表（單位：m）

表中統計的實測數據顯示，在1/4跨處的拱軸線與原設計相比偏差值達16.8cm；橋梁凈跨徑實測值相比設計值（60.0m）增大了0.16m。

4.3 各施工階段主拱圈截面抗力驗算結果

具體實施步驟按上述過程進行，各施工階段主拱圈截面抗力驗算結果見表2。

表2 各施工階段主拱圈截面抗力驗算表

通過替換拱頂填料、增設加固層和增大拱腳截面處理（圖10）后顯示，與加固前相比，加固后主拱圈的恒載壓力線與拱軸線重合程度更明顯。由于受主拱圈矢跨比的影響，其恒載壓力線雖然沒有達到常規設計“五點重合”的要求，但是達到了“三點重合”（拱頂、1/4跨、3/4跨）的設計效果，改變了現有主拱圈受力形式，為進一步提高橋梁的承載能力奠定了基礎。水汶大橋主拱結構通過本文提供的方法有效改善了橋梁的受力特性，提高了舊橋的承載能力，延長了舊橋的使用年限，獲得了較好的社會經濟效益。

圖10 水汶大橋加固過程及加固后細部照片

5 結語

針對主拱圈病害尚不明顯的圬工拱橋，應盡量從克服其主要影響因素方面出發，從根本上解決問題，恢復因長期運營過程中活載不斷增加導致拱軸線與壓力線出現的偏移，讓主拱圈在恒載作用下及恒載與主要活載的組合荷載下拱軸線與拱軸壓力線再次重合，從而有效解決拱橋主體結構損傷問題，使加固后結構的長期可靠性得到保證。這時采用本文設計的拱橋加固方法將避免不必要的材料和資金浪費，避免消耗不必要的人力物力。

為驗證文中設計理念和裝置的合理有效性以及解決相應的拱橋損傷病害，已經將該技術應用到位于207國道岑溪市水汶鎮水汶大橋的加固處理中。經過本文介紹的方法處理后，大橋的損傷得以修復，大橋降低的承載力得以恢復并有所提高，加固效果較好，可供類似工程參考。