上海中测行工程检测咨询有限公司 庄春雨

双曲拱桥病害的维修与加固

上海中测行工程检测咨询有限公司 庄春雨

随着我国交通运输事业的发展，原来的公路及市政道路均担负着沉重的交通流量，为适应不断增长的交通流量，各地均掀起了道路的新建及改建、扩建高潮。双曲拱桥大部分修建于上个世纪60～80年代，是少钢筋少水泥时期修建的典型桥梁，大都已处于设计使用寿命的后期。双曲拱桥自身存在结构整体性差的缺陷，加之施工和运营管理等多方面原因，长期运营后通常会出现诸如构件破损、开裂等多种病害。近年车辆急剧增多，超重荷载屡禁不止，对现有的双曲拱桥承载形成了巨大的压力，结构提前出现老化现象，某些桥梁甚至已经不堪重负。在经济条件不允许拆除重建时，为保证运营安全，亟须进行加固。

目前，结构加固技术发展较为迅速，对于双曲拱桥的加固，可采用加大截面法、粘贴碳纤维布（钢板）、预应力加固、喷射混凝土加固等方法。近年来，随着材料科学的不断发展，纤维类材料被广泛应用于土木工程领域，特别是以碳纤维为主要材料的加固技术，由于施工便捷，成为桥梁加固工程当中一种行之有效的手段。

一、双曲拱桥的加固措施

通过对双曲拱桥结构受力状态进行分析，我们发现，采取适当的维修加固措施，可恢复或提高其承载能力。双曲拱桥的加固内容包括加强主拱结构，加强横向联系，改造拱上建筑，加固墩台、基础，更换桥面铺装，改变结构体系等。

1. 拱肋加固。拱肋是双曲拱桥主拱圈的骨架，也是组合截面重要组成部分，是最为重要的受力构件。双曲拱桥常见的病害为拱肋强度不足引起的承载力降低，拱肋的加固至关重要。由于拱肋通常会在拱顶及拱脚处出现径向裂缝，故根据其受力特点，通常可采用粘贴钢板或碳纤维布的方法或扩大截面并增配钢筋的方法进行加固。

（1）粘贴钢板。粘贴钢板是钢板和混凝土通过胶粘剂结合成为整体而共同受力，在基本不增加自重的同时，充分发挥钢板的强度，约束混凝土的变形，限制裂缝的发展，提高拱圈的承载能力。

（2）粘贴碳纤维布。粘贴碳纤维方法作用与粘贴钢板相似，但碳纤维加固具有许多其他传统加固法所无法比拟的优点，如轻质高强、无须搭接，能适应曲面构件的粘贴要求，耐腐蚀、耐潮湿、施工便捷、抗疲劳性能好。除了普通的外粘加固，还可用碳纤维复合材料施加预应力，让碳纤维的强度得以充分发挥，因而适用于桥梁结构的补强修复，主要可用于受弯和受剪构件（梁、板、柱等）承载力不足的加固，也可利用其缠绕约束作用，用于受压立柱的加固并可有效增强被加固构件的延性，有利于结构抗震。在碳纤维的增强作用下，可提高抗弯能力，使受弯构件的承载能力增加，并遏制裂缝的发展，减少开裂。

（3）扩大截面法。通过外包钢筋混凝土扩大整个拱肋截面尺寸，增加拱肋截面的配筋率，以提高拱肋的抗弯刚度，提高截面的承载力。也可采用只加大拱脚截面的办法，该方法有利于改善和调整拱脚、拱顶两个控制截面受力状态，起到卸载的作用，以提高拱桥承载能力。通常做法是在拱脚处加大截面范围内的拱肋，并在拱座上植筋，填充新浇混凝土，将拱脚处变成实心钢筋混凝土构件，以有利于结构整体受力。

施工时扩大部分宽度宜采用半包围原结构形式，最小厚度不宜小于150mm，新增部分钢筋应采用植筋或与原结构钢筋焊接方式形成整体。新增混凝土加厚层在构件受力过程中应与原构件保持变形协调，应采取工程措施保证新旧混凝土的受力变形一致。

采用增大截面加固法时，钢筋混凝土受弯构件强度不应低于C20，受压构件强度不应低于C15，预应力混凝土构件强度不应低于C30。加固前须先对拱肋出现的裂缝采用压力注环氧浆液封闭，并对露筋表面进行除锈、修补处理。

2. 加强横向联系。由于双曲拱桥的构造特点使得其截面整体性差，横向联系较弱，横向联系不足会引起横桥向失稳。当拱肋间无横向联系或横向联系较弱时，在集中荷载作用下，长期运营后各拱肋的受力、变形在横桥方向是不均匀的，相对变形较大，故采用增加横向联系来使单片拱肋联成整体，形成一个框架，从而保证横向稳定，改善主拱圈受力。通过加强横向联系，可以增强整体性。

加强横向联系通常采取两种方法：一是增强横向联系，可将原有横系梁改为横隔板，加大与拱肋的结合面积；二是增加横向联系的数量，根据跨径的不同增加横向联系。增设横向拉杆加固时，视跨径大小可在跨中、1/8跨径和1/4跨径附近设置横向拉杆。加强横向系梁加固时，其位置宜选择在拱顶、拱肋分段接头处以及腹拱墩（或立柱）下和拱脚附近。

通过加强横向联系，提高了拱桥的横向整体性能，使各拱肋间的受力较为均匀，变形趋于一致，加强了桥梁的刚度和稳定性，提高了桥梁的承载能力。

拱肋横系梁病害处理。先采用压力注环氧浆液封闭裂缝，再对构件混凝土面层的粉刷层和松动部分彻底清除后打磨。对于外露钢筋，先进行除锈处理，然后用找平胶修补，缠绕包裹碳纤维布。

3. 改造拱上建筑。拱上建筑的构件破损、开裂等病害一般可采用粘钢或粘贴碳纤维布的方法修补，如柱类构件强度或稳定性不足，可采用缠绕碳纤维的方法处理，环向围束。立柱顶部混凝土压碎，可采用外包钢筋网加大柱截面的方法处理，形成箍的作用。

在梁、板类受弯构件的正截面加固，纤维布应贴在受拉区，纤维粘贴方向与受拉方向一致。对于受弯构件的斜截面加固，纤维粘贴方向应与主拉应力方向一致，考虑到施工的方便，也可粘贴成与构件轴向垂直。这主要是利用碳纤维布抗拉承载力高的特性，将布粘贴在构件受拉面，使之与混凝土共同承受荷载，提高构件的受弯承载力，达到补强的目的。梁类构件进行受剪加固将碳纤维布粘贴于构件的剪跨区，起到与箍筋类似的作用，提高构件的抗剪承载力。利用碳纤维布对混凝土的约束以抑制剪切裂缝的开裂和发展，可采用封闭式粘贴、U形粘贴或侧面粘贴碳纤维布，粘贴方向宜与构件轴向垂直。

减轻拱上建筑的重量通常有三种方式：一是可将拱式腹拱改为较轻的T梁或空心板等轻型桥面板；二是彻底清除原拱上填料，更换为轻质材料重新填筑；三是将墙式墩改为柱式墩。上述三种方法均可有效减轻拱上建筑的重量，以减小拱顶弯矩。

4. 加固墩台。墩台出现病害会导致双曲拱桥的上部结构出现病害，对于墩台病害的处理，裂缝可采用压力注环氧浆液封闭裂缝，或粘贴钢板。病害严重的可用钢筋混凝土套箍并施加体外预应力加固墩身。当墩台变位过大时，则需采用顶推等方法使墩台复位稳定。

5. 更换桥面铺装。

由于早期桥面板及铺装强度普遍较低，维修可采用强度高、防水性能好的桥面板及铺装重新铺筑，还可在桥面铺装中添加钢纤维或化学聚合物类纤维，增加强度及抗裂性能。

6. 改变结构体系。进行加固如不能满足需要，根据桥梁的实际情况，可采用改变结构体系的方法，拆除原有拱上建筑，改建为桁架拱或刚架拱。拆除前应做好拆除方案，保证拆除时拱上受力平衡，避免发生坍塌事故。

二、工程实例

宿迁京杭运河1号桥，主桥采用四肋三波悬链线无铰双曲拱形式，拱上建筑为立柱式腹拱墩，引桥采用五肋四波悬链线无铰双曲拱形式，拱上建筑为拱式腹孔，由于该桥车流量较大，长期通行重型车辆，上部结构已出现较为严重的病害，构件出现不同程度的损坏现象，很多构件有裂缝出现，渗水现象较为明显。检测后根据《公路桥涵养护规范》将该桥总体技术状态评定为四类，即差的状态。根据检测情况，针对该桥存有的病害及发展情况，依据通行需要，参考相关成功经验，提出以下维修加固方案。

1. 对主拱圈的露筋及外力损伤进行修复，重要部位底面粘贴碳纤维布。

2. 对主拱圈拱肋间个别横隔板端部的渗水、白化进行维修。

3. 主拱微弯板裂缝经压力注环氧浆液封闭裂缝后，粘贴碳纤维进行加固。

4. 修复拱上建筑中立柱的部分破损，对不满足构造及抗震要求的立柱，应采用碳纤维进行加固处理，粘贴方式为缠绕及环向粘贴。

5. 拱上建筑中的开裂盖梁采用粘钢方法加固补强。

6. 拱上建筑微弯板采用粘贴碳纤维方法进行加固。

7. 加固补强应在对结构、构件的病害、损伤修复基础上进行。

8. 桥面铺装改为钢筋混凝土铺装，双层钢筋网加密、加粗，以增强桥梁横向联系，提高整体共同工作性能。

9. 更换伸缩缝，做好防洪、排水设施。

10. 增设主拱及桥墩防撞设施，设置导航标志以适应目前运河通航要求。

11. 维修加固后应注意后期的养护，定期检查。

工程完工后，经检验各项指标均符合设计要求，通过了相关部门的验收，达到了加固的目的，效果良好。

三、结论与建议

采用碳纤维加固可以增加构件的抗弯、抗剪能力，能够在基本不改变原结构截面尺寸和不增加原结构重量的前提下，提高构件承载力，能够增加构件的延性，提高抗震能力。同时对构件的表面有保护作用，可有效控制原裂缝的发展和抑制新裂缝的产生，加强结构的整体性，延长构件的使用寿命，达到提高承载力和耐久性的目的。

与传统加固方法相比，采用碳纤维材料进行桥梁加固，具有加固效果好、施工方便、周期短的优点，尤其是其轻质高强，便于对不同受力部位的构件进行加固，值得在桥梁加固工程中推广和采用。

需要注意的是，原构件混凝土强度应根据现场强度检测值，不宜简单采用原构件设计时的混凝土强度设计值。采用纤维复合材料加固受压柱时，原构件混凝土强度等级不宜低于C15。采用碳纤维复合材料加固梁、板时，混凝土强度等级不宜低于C25。