杜永平

【摘 要】拱桥以其施工便捷、造价低、造型美观等优点，六七十年代出现后即得到了迅速的推广应用。我段区域内管养的大水沟1#桥、大水沟2#桥、高楼山1#桥，范坝桥等石拱桥，修建于上世纪七十年代，设计荷载低，均为汔-13拖60，加之现在交通量大，车辆负荷大，已不能承受现在如此之大的交通荷载，行车安全性差，急需维修。借着2015年G212线水泉至罐子沟公路角弓至罐子沟维修改造工程的契机，对我段管养的四座拱桥进行了加固，加固后设计荷载达到公路-Ⅱ级。文章中对拱桥加固的技术要求及施工措施进行分析，提出既经济又施工可行，且能满足加固后承载力要求的加固和施工方法。

【关键词】拱桥加固；技术要求；施工措施

中图分类号： U445.72 文献标识码： A 文章编号：2095-2457（2018）06-0198-002

1 拱桥加固技术现状

1.1 损坏原拱圈

要保证拱桥与原拱圈协同受力，则必须这两个构件连接牢固，连接方式可采用植筋的形式，这就需要在原拱圈上钻孔，对原拱圈有结构上的损失，特别是对于一些风化严重的拱圈将可能导致拱圈的损坏。

1.2 压缩河道，影响排水及通航

拱桥的设置占用了桥下净空，对一些通航及排水要求严格桥梁将不适用。

1.3 支架架设不便

拱桥制作时需要支架来支撑，对于跨越深谷，深水以及交通繁忙的桥梁架设支架则相当的麻烦。

1.4 增大基础负重

拱桥的重量也是要基础来承担的，这对于原基础来说是额外的负重，需验算基础的承载力，如承载力不足，则同样需加固基础，增大工程量，且有可能壓缩河道，影响排水及通航。

2 拱桥加固主要技术要求

2.1 拱桥加固计算理论

在原主拱圈外面外包一层钢筋混凝土套箍，与原拱圈共同形成新的拱圈，这种加固方式称为钢筋混凝土拱桥加固，此法增大了主拱圈承载力，通过原主拱圈与外包层的协调变形、共同承担荷载，提高了桥梁承载力。套箍加固法主要运用了三个基本原理，原理一：断裂力学机理；原理二：增大受力面理论；原理三：套箍效应。

原理一：断裂力学机理

（1）加固后，使得裂纹尖端应力强度因子减小很多，仅为原来的一半，这是因为钢筋混凝土外包层使得原主拱圈表面裂缝变为内部裂缝。减弱了裂缝的开裂效果，从而有效地抑制了裂缝的扩展。

（2）由于套箍层的约束作用，钢筋套箍产生强大的握裹力有效的阻碍了构件的横向变形，减弱了裂纹的开展。

原理二：增大受力面理论

由于设置了钢筋混凝土套箍，使得拱圈的截面面积增大，且混凝土强度高于圬工材料强度，再加上配有足够的纵向及横向钢筋，与原主拱圈共同工作，从而有效地增大了拱圈对于弯矩等外力的承载能力。

原理三：套箍效应

原主拱圈处于单向受压状态，无侧压约束，设置套箍层后，使原拱圈受到三向压力，约束各向裂缝的发展，提高了原主拱圈抗压承载能力。

2.2 扩大拱肋截面加固法

外包钢筋混凝土加大拱肋，从而扩大拱肋的截面尺寸，增加拱肋断面的含筋率，以提高拱肋的抗弯刚度。采用增大截面法进行旧桥加固改造时，由于新旧结构的材料性质或混凝土之间收缩率的不同，引起结构内力的重分布，在新旧材料或新旧结合面处将出现较大的拉应力，极易出现裂缝而影响结构的整体性。因此，必要时应该进行收缩应力的计算；在新旧材料或者新旧结构之间的结合面处采用增加纤维和采用性能相近的材料进行补强。

2.3 粘贴法加固主拱圈

通过在主拱肋受拉区底缘或受力薄弱部位粘贴钢板或碳纤维布等材料，本法要求卸载之后再粘贴，才会产生作用，不然仅承担活载。

3 拱桥加固技术方案

3.1 加固方案一：外包混凝土方案

加固措施：主拱肋外包15cm厚钢筋混凝土； 横墙外包15cm厚钢筋混凝土，腹拱圈内衬25cm钢筋混凝土。

计算条件：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。

加固方案一计算结果：主拱圈裂缝宽度、抗弯承载力、抗剪承载能力、主拱圈面内稳定性、腹拱圈纵桥向及横桥向正应力等主要参数均满足公路Ⅱ级荷载标准要求。

3.2 加固方案二：卸载，更换拱上填料为轻质混凝土（泡沫混凝土）

加固措施：更换全桥桥面系及腹拱圈，包括腹拱拱座、腹拱、侧墙、拱上建筑，保留主拱圈及横墙，拱上填料采用轻质混凝土，腹拱圈及拱座采用整体性更好的钢筋砼。

计算条件：拱上填料采用轻质混凝土，容重调整为8 kN/m3进行计算（减载）。

加固方案二计算结果：由于加固方案二的减载效果，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。各构件均满足公路Ⅱ级荷载标准要求。

3.3 总结

加固方案一增载明显，原桥墩承载力及桥台基础面临滑移的风险（基础的抗滑移安全系数不足的可能）尚应作进一步验证。加固方案二由于较明显地减轻了拱上建筑重量，受力情况分析较为合理，各主要构件基本能满足要求。原桥结构拱上填料为素混凝土，厚度约为0.8～1m，而拱桥侧墙保持为原有的浆砌片石结构，此方案需要凿除拱顶素混凝土填料，由于素混凝土填料强度较高，且厚度较大，而拱板配筋较少，存在局部开裂的情况，凿除填料过程难以保证拱板及拱圈的完整性，不确定因素较多，施工过程存在较大风险。以上两个加固方案均以公路-Ⅱ级荷载标准进行验算，荷载标准偏低，不满足本桥作为主干道的荷载要求，另外，方案一估算建安费为532万，方案二估算建安费为496万，笔者认为本桥维修加固的效益不明显，应考虑拆除重建。若旧桥拱上填料为砂砾等松散结构，且主体结构无明显病害、交通量不大的情况下则可考虑采用减轻拱上填料的方法对旧桥进行加固处理

4 拱桥加固施工措施实例分析

4.1 实例分析一

通过对某风景桥及长梗桥采用大型通用有限元分析软件Marc进行了拱桥加固的结构方面的分析。由原主拱圈各主要控制点的主应力的数据分析得出各点的弯矩的变化趋势，可以发现加固后：拱脚处于下弯的趋势； 1/8跨的压力线趋于拱轴线位置；1/4跨处于上弯的趋势；跨中处于上弯的趋势。这说明拱脚处截面压力作用线趋近于拱轴线，跨中处截面压力作用线偏离拱轴线。压力作用线越趋近于拱轴线则截面弯矩越小，越偏离则截面弯矩越大。

根据实腹式悬链线拱轴计算图式可知，由于套箍加固，在拱圈的下缘加固拱圈，这样组合结构使原拱轴线下移，可知原来在 1/4点处的弯矩零点向拱脚靠近，拱脚附近拱轴线偏心减小，而拱顶区域偏心较大。对于拱桥一般在拱脚处比其他地方受力要大，可考虑通过减小拱脚处的应力，增大跨中截面的应力来均衡拱圈的应力。由上面的实例分析可知弯矩零点向拱脚靠近，使得拱脚处的压力偏心变小，降低了拱脚的弯矩，使拱腳更安全些。相应的由于拱轴线下移，导致两端 1/4跨点之间（即中部截面）的截面正弯矩变大，但中部截面的拱圈的承载力均有一定的富余，又由于在拱圈下方设置了钢筋混凝土拱桥，钢筋对于正弯矩有很好的抵抗能力，并且使得原拱圈大部分截面受压。由此可知，拱桥加固可以使原拱圈的受力更合理，充分利用原拱圈的材料，提高拱圈的承载力。

4.2 实例分析二

现以某3*50m双曲拱桥为例， 桥梁全长182m，行车道宽8.5m，桥面采用水泥混凝土铺装。桥梁每跨均由6片拱肋、15道横系梁组成，拱圈矢跨比为1/6，组合式U型桥台及双柱式桥墩，立柱直径为2.5m。原桥设计荷载标准是汽—15级，挂—80，计算荷载标准提高为公路Ⅱ级；原桥拱上填料为素混凝土，容重按25 kN/m3计。

病害情况：墩顶处腹拱圈纵向贯通裂缝，对应横墙开裂，裂缝宽度约20mm；第三跨拱顶处拱肋横向开裂，裂缝宽度约5mm；第二第三跨边拱波纵向开裂，裂缝宽度约5mm。

验算条件：主拱圈的横断面中，由于拱肋、拱波及拱板均存在开裂现象，所以断面的承载能力等性能指标相比整体现浇的断面有所下降。因此，本计算对拱肋等主要构件的断面承载能力等性能指标打8折进行考虑。

原桥结构计算结果：主拱圈拱顶处裂缝宽度不满足要求；腹拱圈纵桥向及横桥向正应力均不满足要求；主拱圈压弯承载能力，主拱圈抗剪承载能力、主拱圈面内稳定性均满足要求。原桥主拱圈及腹拱圈的计算裂缝宽度指标超限（腹拱圈现状开裂严重）；另外，由于桥面板整体连续，在基础的不均匀沉降、汽车效应、温度效应等工况作用下，造成桥墩处的桥面板的变形、内力均较大，计算裂缝宽度指标超限。

5 结语

目前，正在运行的公路钢筋混凝土拱桥数量还比较多，其中的大多数都存在不同程度的病害，给桥梁的安全性、耐久性和可靠性带来了不利影响。正确分析和总结既有拱桥的病害及其成因，以及对拱桥的加固和施工方案进行分析计算，对于桥梁的维修加固和施工选择有着重要意义。

【参考文献】

[1]交通部科学研究院等.公路双曲拱桥（上部构造设计计算）[M].北京：人民交通出版社，1983.

[2]顾安邦.桥梁工程（下册）[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3]闫国新.沟槽式新老混凝土粘结面抗剪性能试验研究[D]郑州大学，2006.

[4]李东超.薄壁箱梁桥的加固研究[D].广西大学，2007.

[5]刘佳昌.双曲拱桥加固机理数值分析[D].长安大学，2008.