既有公路鋼筋混凝土雙曲拱橋加固研究

余學清

福州市公路事業發展中心，福建 福州 350002

隨著交通量和交通車輛荷載在不斷增加，大量在役的雙曲拱橋都出現了不同程度和類型的病害，嚴重影響了行車安全［1］。而我國公路交通系統上目前仍有大量在役的雙曲拱橋，如果對這些雙曲拱橋進行加固改造，提高其承載能力，延長使用壽命，則有效節約經濟成本。因此，對在役公路雙曲拱橋的加固改造研究，具有重要的現實意義和實用價值。目前雙曲拱橋常見的加固方法有：增大截面法、粘貼加固法、增加橫向聯系法等。但大部分的研究成果是針對實際獨立的工程，還沒有形成系統的計算分析，各種加固方法的加固機理也沒有上升到理論性的研究階段。以下就針對增大截面加固法進行闡述。

1 既有雙曲拱橋結構性能分析

陀市橋全長175m，橋梁上部結構為5 跨鋼筋混凝土雙曲拱橋結構，原設計汽車荷載標準為汽車-10 級，履帶-50。經橋梁檢測發現舊橋拱肋出現徑向裂縫，實腹段拱肋與側墻結合處出現平行于拱軸線的環形裂縫等病害，該橋原橋技術狀況等級評定為四類，需要進行加固維修。

為全面了解該雙曲拱橋在加固維修前的結構性能，為后續加固提供科學依據，通過建立其結構有限元模型，進行數值仿真分析。加固前的陀市橋全橋結構采用平面桿系模型來模擬：將主拱圈視為一個整體，并采用彈性平面梁單元模擬，忽略橫系梁的作用；橋面板和重力式橋墩均采用彈性平面梁單元模擬。

從彎矩、軸力、應力以及撓度等方面分析主拱圈關鍵截面的受力和變形。荷載工況的組合系數按照規范［2］要求，對于公路Ⅱ級，安全系數取1.0，恒載取1.2，車輛荷載取1.4。由于按影響線加載時，車輛荷載分別加載在影響線正值區和負值區，因此，相應的荷載工況的有兩種：工況一：1.2 恒載+1.4 汽車max，max 代表在影響線的正值區加載；工況二：1.2 恒載+1.4 汽車min，min 代表在影響線的負值區加載。

通過有限元模型計算結果分別進行驗算，得到γNd=15039kN<52744kN，說明原橋主拱圈截面的抗壓強度滿足要求；γMd=2629kN?m ＞2029kN?m，可見原橋主拱圈的拱頂截面不滿足正截面受彎承載力要求。拱腳截面的最大壓應力為12.70MPa，已接近C30 混凝土的軸心抗壓強度設計值（13.8MPa）；拱頂截面的最大拉應力為3.77MPa，為C30混凝土軸心抗拉強度設計值（1.39MPa）的171%，說明原橋主拱圈結構的強度已經不滿足要求。原橋主拱圈的最大撓度為15mm，發生在中跨的拱頂截面處。拱橋正負撓度的絕對值之和應小于跨徑的1/1000，而15/30000=1/2000<1/1000，因此，原橋主拱圈剛度滿足規范要求。

按公路Ⅱ級汽車荷載標準進行提載，該橋主拱圈剛度可滿足要求，但其承載力不滿足要求。

2 增大截面法加固既有雙曲拱橋設計方案

2.1 增大截面法加固設計方案

根據該橋實際存在的病害情況，提出采用增大截面法對該橋的主拱圈進行加固，同時拆除拱上結構，進行重建。加固改造方案為：對原有拱圈采用增大截面法將原雙曲拱改造為箱形拱，并將原拱式腹孔的拱上建筑改造為輕型立柱，以減少拱上建筑物的自重，抵消因拱圈加大截面所增加的自重。拱座以下的墩臺、基礎部分保持不變。

圖1 加固改造后結構橫斷面圖（單位：cm）

2.2 加固方案有限元仿真分析

對加固改造后的陀市橋，采用多層梁格法［2］建立其全橋結構的空間桿系模型。在對加固后的主拱圈截面進行承載力驗算時，仍偏保守地將主拱圈結構視為素混凝土結構，并按圬工橋涵規范進行驗算。分別采用極限狀態設計法和容許應力法，對加固后的主拱圈結構進行承載力驗算。

通過有限元模型計算結果分別進行驗算，γNd=10557kN<64832kN，說明經增大截面法加固后，主拱圈截面的抗壓強度可滿足要求。γMd=3035kN?m <23697kN?m，可見經增大截面法加固后，主拱圈的拱頂截面已經滿足正截面受彎承載力要求。拱腳截面最大壓應力為4.57MPa，遠小于C30 混凝土的軸心抗壓強度設計值（13.8MPa）；最大拉應力也出現在拱腳截面，其值為0.95MPa，也小于C30 混凝土的軸心抗拉強度設計值（1.39MPa）；這說明經增大截面法加固后，新橋主拱圈結構的強度已經滿足要求［3］。

經增大截面法加固后，新橋主拱圈的最大撓度為6mm，發生在中跨的拱頂截面處。拱橋正負撓度的絕對值之和應小于跨徑的1/1000，而6/30000=1/5000<1/1000，因此，新橋主拱圈剛度滿足規范要求。

2.3 加固方案有效性分析

表1 中列出了加固前、后陀市橋主拱圈控制截面最大內力和最大應力的比較情況，其中，相對值為加固后的內力或應力與加固前的內力或應力之相對比值。可見，本文針對陀市橋所提出的增大截面法加固改造設計方案可有效提高橋梁的承載能力和剛度。

表1 加固前后主拱圈控制截面的最大內力和最大應力比較

3 結語

本文以連江縣陀市雙曲拱橋為工程背景，側重探討了采用增大截面加固法加固既有公路雙曲拱橋的設計及施工技術，并總結得到了以下主要結論：

（1）基于平面桿系有限元模型的數值分析結果表明，按公路Ⅱ級汽車荷載標準進行提載，未加固之前陀市橋主拱圈剛度可滿足要求，但其承載力不滿足要求。

（2）對存在結構病害且需要提載的既有公路雙曲拱橋，可采用增大截面加固法將主拱圈由雙曲拱加固改造為箱形拱，從而達到消除結構病害和提載的雙重目標。

（3）基于空間桿系有限元模型的數值分析結果表明，加固改造后的橋梁滿足按公路Ⅱ級汽車荷載標準提載后的承載力和剛度要求，技術上可行。

（4）對加固前后全橋結構受力性能的有限元分析表明，采用增大截面法加固既有公路雙曲拱橋，可有效提高橋梁的承載能力和剛度。