雙曲拱橋加固技術研究現狀

孫文杰

摘要 我國的雙曲拱橋多修建于20世紀60、70年代，近年來相繼出現不同程度損壞，為使這些雙曲拱橋正常運營，急需對它們進行加固改造。文章針對雙曲拱橋產生的波頂開裂以及拱上建筑損壞等危害，分析了目前常見的雙曲拱橋加固方法，主要包括增大截面加固法、改變結構體系加固法和減輕恒載加固法等，總結了各自的優缺點，探討了目前加固技術存在的問題并提出了解決思路。

關鍵詞 雙曲拱橋；危害；加固方法

中圖分類號 U445.72文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0155-03

0 引言

我國的雙曲拱橋興起于20世紀60年代，施工時不需要大型復雜的機械設備，施工簡便，同時具有材料用量少、造價較低等優點[1]。正因為這些優點適應了我國當時的經濟社會發展條件，因此在后續的幾十年，我國修建了大量的雙曲拱橋。雙曲拱橋由拱肋、拱波、拱板以及橫梁等部件組成主拱圈，作為主要承載結構[2]。但主拱圈構成復雜使得各部件連接較弱，從而導致了雙曲拱橋的整體性較差。隨著我國經濟的飛速發展，道路交通壓力持續增加，使大部分雙曲拱橋產生不同程度的病害，更有部分成為危橋[3]。為了適應交通運輸需要，保證行車安全性，并且再次充分挖掘雙曲拱橋所帶來的經濟效益和社會效益，必須對雙曲拱橋進行加固改造。

目前，雙曲拱橋加固的方法有很多種，但歸結起來，可以概括為加強主拱圈加固法、改變結構體系加固法和減輕恒載加固法[4]。加強主拱圈加固法可以分為以下幾種：黏結鋼板或加筋加固法，增大截面加固法和增設拱肋加固法；改變結構體系加固法就是改變主要承重結構的形式，例如變雙曲拱肋為板拱或桁架拱；減輕恒載加固法就是改變拱上建筑的材料或者結構形式，將原有拱上填料換成輕質材料或者將原有實腹式拱上建筑結構改為空腹式結構[5]。

1 加強主拱圈加固法

主拱圈是拱橋的主要受力結構，它的安全與穩定決定了整座拱橋能否正常運營，并且雙曲拱橋的病害主要集中在主拱圈，因此可以從加強主拱圈的角度對雙曲拱橋進行加固改造。

1.1 粘貼鋼板或鋼筋加固法

粘貼鋼板或鋼筋加固法是拱橋加固中常用的加固方法，同樣適用于加固雙曲拱橋，一般是將鋼板或鋼筋用環氧膠漿粘貼在主拱圈表面，使其與雙曲拱橋形成一個整體，共同受力，從而提高雙曲拱橋的承載能力[6-7]。一般施工步驟如下：搭架—清洗混凝土和鋼板表面—鉆孔—涂膠—粘貼鋼板—上膨脹螺栓固定—刷防銹漆、面漆—折架，清理現場。

粘貼鋼板或鋼筋加固法既能夠保障原有主拱圈抗壓性能不受影響，又能充分發揮新增鋼板的抗拉性能，使雙曲拱橋的抗彎性能以及抗剪性能均得到提高，同時還可以起到阻止裂紋產生與擴展的作用，并且不會對交通造成影響，施工時間短，經濟效益好，技術含量高，養護費用低[8-9]。但也存在一些不足之處，例如拱圈結構在黏結鋼板部分與未黏結鋼板部分的交接處剛度會發生突變，容易在這些位置產生裂紋，導致主拱圈承載能力下降。

1.2 增大截面加固法

雙曲拱橋的主拱圈由拱肋、拱波、拱板以及橫梁等構件組成，根據對不同部位的加固，增大截面法又可以細分為增大拱肋截面法，加厚拱波、拱板法和增強橫系梁法等[10]。

加大拱肋截面加固法主要是通過外包鋼筋混凝土等方法來加大拱腳和拱頂的截面，從而提高拱肋的承載能力，加固時可以將一起外包拱波也可以不包拱波[11]。一般施工步驟如下：搭架—拱肋混凝土表面處理—安裝模板，綁扎鋼筋—現澆混凝土—混凝土養生—拆模，折架，清理現場。在加固設計計算時要保證二期恒載對原主拱圈產生的內力不超過其安全儲備，從而確保施工時整體橋梁的安全。

波頂縱縫是雙曲拱橋常見的病害之一，因此加厚拱波拱板也是重要的加固手段[12]。在拱波較薄弱時，通常可采用兩種補強方法：一是現澆鋼筋混凝土加厚拱板，二是采用噴錨混凝土直接加厚拱波。錨噴加固的一般施工步驟如下：在拱波腹部設置錨桿—架設鋼筋網—利用噴射機械噴射混凝土。等噴射的混凝土凝固后形成一層新的鋼筋混凝土結構，新老混凝土由黏結力抗剪傳遞荷載，共同受力，從而阻止裂縫的擴展[13]。

在縱橋向和橫橋向同時承受水平推力，是雙曲拱橋相較于其他拱橋所具有的獨特受力特性，但在早期的雙曲拱橋建設過程中沒有特別關注橫橋向水平推力這一重要因素。大部分是通過設置套管拉桿作為橫向連接，這樣的設計導致雙曲拱橋的剛度和穩定性往往達不到要求，造成主拱圈整體性差。針對這種問題可以采用增設橫系梁或橫隔板、增大橫系梁截面尺寸以及增大橫系梁截面尺寸等幾種方式來增強主拱圈的結構穩定性[14-15]。

1.3 增設拱肋加固法

增設拱肋加固法主要用于提高無肋的雙曲拱橋主拱圈的承載能力，加固效果顯著。增加的拱肋可設置在各個拱波連接處的下緣也可加在拱波波頂下緣。采用拱波下緣加鋼筋混凝土拱肋時，需要沿拱軸每隔一定距離設置橫向鋼筋以加強其整體性。采用拱波波頂加肋的方法時，新增拱肋可分段預制，現場安裝，肋上應預埋錨固鋼筋，安裝時將預埋筋穿過波頂伸到拱板面上與混凝土拱板結成一體，以保證截面的整體性[16-17]。

2 改變結構體系加固法

改變結構體系加固法即從主要承重結構主拱圈入手，將雙曲式的主拱圈改造成其他形式的主拱圈或者其他結構體系的橋梁結構。常用的方法有以下幾種：將雙曲拱改造為桁架拱；將雙曲拱加固變成板拱或箱拱；將雙曲拱改造成剛架拱[18]。

在拱上建筑損壞嚴重，而主拱圈仍然可以安全工作的情況下，可將舊的拱上建筑拆除，以主拱圈作為下弦桿，在原有拱上立柱基礎上施工腹桿并增加上弦桿，將雙曲拱橋改造為桁架拱橋，此方法適用于梁式拱上建筑的雙曲拱橋[19-20]。拆除拱上建筑時，要特別注意保留拱上立柱腳鋼筋，澆筑桁架腹桿時才能將其固定在主拱圈上，保證改造成桁架拱之后的結構安全。變雙曲拱為板拱法就是把拱肋之間和拱波之下的空腹區域填充澆注鋼筋混凝土，將雙曲拱變為板拱。對于拱式拱上建筑的雙曲拱橋，一般沒有立柱腳鋼筋則改造為桁架拱不安全，可將雙曲拱改造為剛架拱，斜腿下部支撐在拱腳處，上部支撐在橋面系下部，與主拱圈共同承擔橋面荷載。

3 減輕恒載加固法

通常的加固拱橋的方法主要是從加強主拱圈方面考慮，但拱上建筑作為拱橋的一部分，近年來也成為工程師加固改造拱橋的出發點[21-22]。

雙曲拱橋的恒載占總荷載的比例很大，而主拱圈承受的活載比重很小，對于這種情況，可以采用減輕拱上建筑重量的方式來提高雙曲拱橋的承載能力。減輕恒載加固法的常用做法有降低橋面標高從而減小拱上填料的厚度、拱式拱上建筑改為輕型的板式拱上建筑、更換輕質的拱上填料、鋼筋混凝土立柱代替重力式橫墻等方法[23-24]。對于拱上建筑為拱式的雙曲拱橋，可以將舊的拱式拱上建筑改為梁板式輕型拱上建筑。具體步驟如下：將所有的傳力結構等拱上建筑拆除—裸露主拱圈的拱背—在主拱圈的拱背上澆注鋼筋混凝土。混凝土的厚度一般是拱頂處較薄，拱腳處較厚，將原主拱圈改造成變截面組合截面拱；最后按照梁板式拱上建筑的施工程序完成全橋的施工。

通過減輕雙曲拱橋的拱上建筑恒載來提高其承載能力是一種經濟有效的加固方法。考慮聯合作用的影響，雙曲拱橋的承載能力受主拱圈與拱上建筑共同影響。因此在改變拱上建筑恒載時也需要對主拱圈的受力進行詳盡的分析，從而保障施工中的安全，施工過程中要特別注意主拱圈的軸向力減小引起的彎矩變化。

4 現狀問題及解決思路

目前我國針對舊有的雙曲拱橋進行加固、改造的方法有多種，但是在這些加固方法的分析和選擇上，多是靠經驗決定，還沒有統一的標準。這不僅不能保證拱橋在加固后的運營安全，也沒法實現較好的經濟社會效應。

基于雙曲拱橋修建年代的經濟社會狀況，大部分雙曲拱橋沒有設計資料和竣工資料，對加固方法的選擇帶來諸多不利。雖然沒有雙曲拱橋的設計資料，但是可以獲得其運營狀態資料，可以把加固前的橋梁檢測數據作為出發點，編制相應的標準，建立一套科學的分析選擇體系，通過對運營期橋梁服役狀態數據的分析處理，幫助選擇科學的加固方法。主要方法思路如下：

4.1 外觀檢測

先進行外觀檢查，包括橋面系列檢查、主拱圈檢查和墩臺基礎檢查等，將其劃分為完好、較好、較差或危險等狀態。

4.2 荷載試驗

根據不同的外觀狀態選擇不同的試驗方法和試驗荷載大小，包括靜載試驗和動載試驗，這樣做是為了保證試驗時的安全以及防止對雙曲拱橋的二次損害，試驗可以獲得詳細的關于雙曲拱橋的內力、位移以及穩定性方面的數據。

4.3 數據處理

對獲取的數據進行分析處理，在這之前應該制定相應加固標準，分別對主拱圈、拱上建筑和拱腳等的運營狀態做量化處理，制定出各種系數及參考范圍。建立起模糊分析系統，利用MATLAB等數學分析軟件對試驗數據進行處理得出相應參數，然后與加固標準中的參數進行對比，這樣可以提供更為科學的加固方法，滿足安全性和經濟性雙重原則。

5 討論

根據上述加固技術提出了兩個值得研究的問題：

（1）用混凝土加固主拱圈時，由于新舊混凝土之間的收縮徐變存在差異，如何保證新舊混凝土之間的協同變形與承載。

（2）拱橋加固中，當需要拆除拱上建筑時，何種拆除順序才能保證主拱圈的穩定。

6 結語

目前，我國已經不再新建雙曲拱橋，但是仍有大量雙曲拱橋正在使用且損害嚴重，為了確保運營安全，需要對這些雙曲拱橋進行維護、加固與改造。該文詳細介紹了目前常用的雙曲拱橋加固技術，并說明了各自的特點，但是目前的技術中仍然有很多需要改進和發展的地方。針對具體的雙曲拱橋加固，工程實際表明，往往需要采取各種綜合加固的辦法。另外，對雙曲拱橋進行加固時，應該遵循標本兼治原則，不僅要方便施工，保證安全性，同時也要考慮經濟性原則，滿足社會經濟效益。

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