申俊

（惠州市道路桥梁勘察设计院，广东　惠州　516001）

双曲拱桥加固方法的分析研究

申俊

（惠州市道路桥梁勘察设计院，广东惠州516001）

以20世纪70年代建成的某双曲拱桥为工程实例，根据现状桥梁的病害特点，给出了针对该双曲拱桥加固维修的两种方法及其对应的计算结果。主要分析了两种加固方案下，主拱圈截面加强、腹拱圈内衬混凝土、换填轻质混凝土等加固措施对双曲拱桥主要构件的承载能力、裂缝、稳定性等指标的影响。通过对比得出结论：方案一通过增大拱圈截面及腹拱圈内衬钢筋混凝土，可以提高主拱圈与腹拱的承载能力，但由于加载明显导致桥墩盖梁抗剪承载力，主拱圈稳定系数不足；加固方案二通过换填拱上填料为轻质混凝土并加高桥台盖梁，加固后可以很好地满足双曲拱桥的各项力学性能，相比方案一更具有优势。

双曲拱桥；旧桥加固；拱圈；拱上填料

0　引言

在我国，双曲拱桥首创于20世纪60年代，这种桥型具有结构美观轻便、造价经济、施工便捷等优点，自创立之日起在我国各地都得到了广泛运用与推广。但是，由于该类拱桥整体性能差，拱肋和拱波容易开裂，设计荷载标准偏低，加上交通量连年增加和重载不断出现，至今几乎所有的双曲拱桥都出现了不同程度的病害。因此如何合理评估此类双曲拱桥，提出合理安全且经济可行的加固方案，对于现在还在运营的双曲拱桥的维修与加固具有现实意义。本文以某双曲拱桥为工程实例，对比不同的加固方法，通过计算分析，比较探讨了不同加固措施所达到的实际效果。

1　工程概算及病害调查分析

本文研究的拱桥为3×50 m双曲拱桥，建于1978年，全长182 m，行车道宽8 m，桥面采用水泥混凝土铺装。双曲拱每跨均由6片拱肋、15道横系梁组成，拱圈矢跨比为1/6，下部为重力式墩台。原结构设计荷载标准：汽—15级，挂车—80。其桥型立面布置及横断面见图1、图2。

该桥通行运营三十多年，由于自然老化及损坏，加上近年交通量的增加及车辆超载，导致该桥存在严重的病害，被检测机构评为四类桥梁。其主要病害情况如下：

图1　双曲拱桥立面图（单位：cm）

图2　双曲拱桥横断面图（单位：cm）

（1）桥面系：桥台引道及桥面铺装存在多处纵向裂缝与横向裂缝；腹拱拱顶位置桥面板断裂，局部小坑槽；路面板断裂，桥面多处网裂。

（2）桥梁受力结构：主拱圈跨中底板存在露筋及钢筋腐蚀现象；腹拱圈均有开裂，伴有渗水结晶；腹拱圈与拱上立墙渗水、泛霜及风化现象较为严重；两侧拱脚渗水，拱波多处渗水且有渗水泛白现象。

综合上述桥梁病害情况，可知该双曲拱桥的主要病害为主拱圈、拱波及腹拱均存在开裂露筋现象，桥梁整体性能较差；桥面铺装破坏，桥面面层刚度不够等；拱肋保护层不足，局部钢筋腐蚀，承载能力不足。需要进行维修加固以延长桥梁的使用寿命。

2　加固方案

根据本双曲拱桥主要病害，结合常规的加固方法［1，2］，对该桥提出了两个对比的加固方案。

加固方案一（见图3）：更换全桥桥面行车道板，并增设伸缩缝、桥面横系梁及侧墙墙帽。主拱肋、拱肋系梁外包15 cm厚钢筋混凝土；桥墩盖梁顶采用钢筋混凝土加大50 cm梁高。腹拱圈内衬25 cm钢筋混凝土。

图3　方案一主要加强措施

加固方案二（见图4）：更换全桥桥面行车道板，并增设伸缩缝、桥面横系梁及侧墙墙帽。拱上填料采用轻质混凝土，容重调整为8 kN/m3；桥墩盖梁顶采用钢筋混凝土加大50 cm梁高。腹拱圈内衬25 cm钢筋混凝土。

图4　方案二主要加强措施

3　加固方案对比计算

3.1加固方案有限元模拟

针对上述两种方案，采用有限元程序分别建模，对该桥进行结构检算。验算时采用三维线弹性方法。其中下部结构桥台采用三维实体单元模拟；桥墩及盖梁采用梁单元模拟。模拟计算时，桥墩桥台基础边界统一采用阶段一般支承进行约束，并采用土弹簧方式考虑墩柱周土层的约束作用。图5为双曲拱桥三维模拟图。

图5　双曲拱桥三维模拟图

主拱圈结构采用梁格法模拟，拱肋间横向连接采用横向虚拟梁单元连接。拱脚与墩台盖梁采用公用节点的方式连接。拱上横墙与腹拱采用厚板单元模拟，由于主拱圈的拱上建筑结构既不是梁板式结构也不是纯拱式结构，所以拱上建筑结构参与整体结构体系的联合受力效应作了折损处理，对横墙与主拱圈及横系梁节点的结合约束刚度及腹拱节点与横墙节点的结合约束刚度进行折损处理。

模型中结构材料容重根据规范取值，汽车荷载按公路Ⅱ级荷载标准计算，偏载及冲击力按规范计算。温度作用及基础沉降均与原桥设计资料保持一致。根据不同的加固方案，将效益组合按规范进行组合，检算加固后桥梁的各种力学指标。

3.2主拱圈检算对比

表1　主拱圈抗弯承载能力检算对比表

表2　主拱圈抗剪承载能力检算对比表

表3　主拱圈裂缝检算对比表

表4　主拱圈面内稳定性检算对比表

根据现有公路桥梁规范，取拱圈拱脚、L/4处及拱顶处截面为检算控制截面，分别对比分析两种加固方案下拱圈的承载能力［3］、裂缝、稳定性（见表1～表4）。对于主拱肋外包钢筋混凝土时，拱肋横断面中，外包的凹形断面作为叠合截面进行考虑，凹形叠合组件的混凝土湿重由原主拱圈结构承受，凹形叠合组件只承受部分新施工的二期恒载及部分活载的效应。

通过对比分析可知，方案一通过加大拱肋截面，虽然显著提高了拱肋的抗弯与抗剪承载能力，但是由于加固方案一的增载效果非常明显，造成拱肋裂缝宽度加大且平面内稳定性系数无法满足要求。加固方案二由于减载效果明显，改造后拱肋的承载能力、裂缝宽度及平面内稳定性指标比较容易控制。

3.3桥墩盖梁检算对比

表5　桥墩盖梁抗弯承载力检算对比表

表6　桥墩盖梁抗剪承载力检算对比表

表7　桥墩盖梁裂缝检算对比表

根据现有公路桥梁规范，取桥墩盖梁的支点处与跨中处截面为检算控制截面，分别对加固前两种加固方案下盖梁的承载能力、裂缝进行对比分析（见表5～表7）。桥墩盖梁横断面采用钢筋混凝土加高50 cm，截面的加高部分作为叠合截面进行考虑，只承受部分新施工的二期恒载及部分活载的效应。

通过对比分析可知，方案一由于加大拱肋截面，增载效果明显，原桥墩盖梁内力剪力较原结构明显增加，且远超过了原结构的抗剪承载力，所以加固方案理应显著提高原结构的抗剪承载能力。但是，由于桥墩盖梁与桥墩柱子、主拱圈拱肋和拱波等构件相互交错，错综复杂，造成诸如外包钢箍等有效提高抗剪能力的加固方案难以实施。

加固方案二由于换填轻质混凝土后减载效果明显，改造后桥墩盖梁的承载能力、裂缝宽度、指标比较容易控制。

4　结　论

本文结合现有的一联3×50 m双曲拱桥的现有病害，提出两种加固方案，利用有限元模型模拟两种加固方案下桥梁主要构件的承载能力、裂缝、稳定性等指标。通过对比计算发现通过加大拱肋截面可以很好地提高拱肋的承载能力，但是同样由于加大截面带来的增载，导致桥墩盖梁抗剪承载能力不足，主拱圈稳定性安全系数略为不足。加固方案二通过换填轻质混凝土，改造后桥梁各构件的承载能力及裂缝宽度指标比较容易控制，但此方案的施工可操作性较差，且施工风险较高。因此，现实中对双曲拱桥的维修加固应因地制宜，根据病害情况选择合理的加固维护方案，以达到最好的效益比。

［1］毛瑞祥，徐岳.特危双曲拱桥加固与评定新探索［J］.西安公路学院学报，1993（2）:14-18.

［2］周志祥，贺鹏，等.大跨度双曲拱桥维修加固研究［J］.重庆交通学院学报，2004（6）：118-122.

［3］JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范［S］.

U445.7+2

B

1009-7716（2016）07-0167-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.048

2016-02-18

申俊（1985-），男，湖南衡阳人，工学硕士，工程师，从事桥梁工程设计工作。