某公路四跨45 m雙曲拱橋病害分析及加固

韓忠磊，鄭立飛

（大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧大連116011）

1 概述

雙曲拱橋首創(chuàng)于20世紀(jì)60年代初，它以施工方便、橋型優(yōu)美、節(jié)約材料等優(yōu)點(diǎn)曾被廣泛修建，為我國的公路交通事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。雙曲拱橋的主拱圈通常是由拱肋、拱波、拱板和橫向聯(lián)系等幾部分組成，主拱圈的特點(diǎn)是先化整為零，再集零為整，施工時可以不要拱架、施工進(jìn)度快、所耗鋼材也不多。它充分利用了預(yù)制裝配的優(yōu)點(diǎn)，使得施工過程適應(yīng)了無支架施工和無大型起吊機(jī)具的情況。為了加強(qiáng)主拱圈受力的整體性，在拱肋之間設(shè)置有橫系梁。根據(jù)橋梁寬度的不同，雙曲拱橋主拱圈橫截面可以做成單波、雙波、多波、懸半波和高低波。這種截面的截面抵抗矩比相同材料用量的板拱大，因而可以節(jié)省材料，且在施工等方面比板拱有較多的優(yōu)越性。

然而，經(jīng)過30多年的使用，這種橋型出現(xiàn)了許多的病害，如拱波縱向開裂、拱肋破壞露筋、拱上建筑開裂和橫系梁破壞等病害。這些病害影響了橋梁的承載能力，對交通運(yùn)輸安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，甚至?xí)l(fā)橋梁坍塌的惡性事故發(fā)生。

本文以某公路雙曲拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，對既有鋼筋混凝土雙曲拱橋的病害及病害產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，結(jié)合雙曲拱橋自身的構(gòu)造特點(diǎn)，提出其維修加固措施，并對該橋加固前后主要力學(xué)參數(shù)的理論分析結(jié)果進(jìn)行對比。

2 雙曲拱橋主要病害及成因

2.1 上部結(jié)構(gòu)病害

上部結(jié)構(gòu)病害主要有：拱波縱向開裂、拱肋破壞露筋、拱上建筑開裂、橫系梁破壞等。這些病害在雙曲拱橋中都是比較常見的。

拱波的縱向開裂是雙曲拱橋最常見的病害。病害產(chǎn)生的主要原因有：第一，拱波太薄，鋼筋保護(hù)層不足；第二，由于建設(shè)時鋼材用量不足，拱波配筋很少，有的拱波配置的鋼筋網(wǎng)鋼筋間距太大；第三，雙曲拱橋由于橫向聯(lián)系較弱使得整體剛度不強(qiáng)，荷載橫向分布較差，造成變形不協(xié)調(diào)，使拱波的受力變得復(fù)雜，加速了拱波裂縫的產(chǎn)生。

拱肋破損鋼筋外露，原因主要有四個方面：一是拱肋截面配筋偏少，混凝土標(biāo)號不高，拱肋的承載能力和抗開裂能力不高；二是荷載橫向分布較差導(dǎo)致拱肋受力的不均勻，使個別拱肋受力過大；三是拱肋破壞后鋼筋銹蝕，銹脹的鋼筋又使混凝土沿著裂縫繼續(xù)開裂，造成惡性循環(huán)；四是基礎(chǔ)下沉及傾斜造成拱軸線偏離，拱肋受力發(fā)生變化，原本設(shè)計的受壓構(gòu)件出現(xiàn)了拉應(yīng)力。

拱上建筑開裂。拱上建筑的受力是整個橋梁結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的。橋梁荷載通過拱上建筑向下傳遞到主拱圈，在拱墻與主拱圈連接處未設(shè)置“鉸”而約束了拱墻的變形，這種變形對腹拱來說相當(dāng)于施加了墩臺位移。第二，由于混凝土開裂的產(chǎn)生，混凝土的碳化與鋼筋銹蝕現(xiàn)象也隨之產(chǎn)生。第三，從結(jié)構(gòu)角度來看，雙曲拱橋的腹拱是一組小跨的連拱，其中一片腹拱的變形會影響到另外幾片相連的腹拱。

橫系梁破壞。雙曲拱橋的橫系梁在設(shè)計時就存在問題，在設(shè)計時橫系梁的截面尺寸能夠滿足橫向聯(lián)系的要求，但在使用過程中卻達(dá)不到預(yù)期的效果，說明橫系梁的設(shè)計和計算存在著不足。第二，橫系梁在聯(lián)接拱肋時，由于拱肋所產(chǎn)生的位移不同而使得橫系梁的受力不再是單純的受拉狀態(tài)，而是拉、彎、扭、剪等受力狀態(tài)共同存在，因此，當(dāng)作用較大的外荷載時，橫系梁就會產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力和剪切變形，導(dǎo)致橫系梁被剪壞，這也是其破壞一般發(fā)生在橫系梁與拱肋的聯(lián)接處的主要原因。

2.2 下部結(jié)構(gòu)病害

下部結(jié)構(gòu)病害的主要表現(xiàn)形式有：橋墩(臺)開裂、混凝土剝落、鋼筋外露，基礎(chǔ)局部沖空，基礎(chǔ)側(cè)傾或下沉，翼墻、耳墻破壞，錐坡、護(hù)坡破壞等。

橋墩(臺)表面混凝土開裂、剝落等一般發(fā)生在橋梁墩(臺)身，但在拱腳與墩臺的聯(lián)接處也存在較大的裂縫。墩身混凝土開裂剝落比較普遍，多是由于混凝土的碳化引起的，由于橋梁長期暴露于大氣環(huán)境下，缺乏正常的維護(hù)，混凝土耐久性遭到破壞，在干濕循環(huán)區(qū)域的混凝土構(gòu)件一旦發(fā)生開裂，便形成鋼筋銹脹和混凝土開裂的惡性循環(huán)。拱腳處的裂縫不多見，多數(shù)是由于構(gòu)造上配筋不合理造成的。

基礎(chǔ)下沉或側(cè)傾一般是由于地基承載力不足引起的，該種病害一般不多見。翼墻、耳墻破壞，錐坡、護(hù)坡的破壞等病害多為缺乏養(yǎng)護(hù)等人為因素引起。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國存在的鋼筋混凝土雙曲拱橋，幾乎都存在不同程度的病害和缺陷。其中上部結(jié)構(gòu)病害較多，如不及時維修加固，必然會對橋梁的安全性、耐久性造成很大影響。

3 維修加固措施研究

由于鋼筋混凝土雙曲拱橋的病害較多，因此，對不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用不同的加固方法，本文從病害較重的拱肋、拱波、拱上建筑、橫系梁等幾個部位進(jìn)行了加固措施的研究。

3.1 拱肋的維修加固

拱肋作為雙曲拱橋的主要受力構(gòu)件，關(guān)系著整個橋梁的安全運(yùn)營和承載能力。拱肋加固采用粘貼鋼板方法：采用環(huán)氧樹脂系列粘結(jié)劑將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的受拉緣或薄弱部位，使之與原結(jié)構(gòu)物形成整體共同受力，以提高其剛度，改善原結(jié)構(gòu)的鋼筋及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，從而達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)、提高橋梁承載能力。為了保證混凝土與鋼板之間能夠粘貼緊密，鋼板和混凝土之間采用加壓膨脹螺栓進(jìn)行緊固。該方法具有施工簡便、粘鋼所占空間小、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。拱肋粘貼鋼板加固方法見圖1。

3.2 拱波的維修加固

由于拱波上的縱向裂縫較多，因此，先采用注膠法對裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，再用粘貼碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。注膠時先對裂縫周圍松散的灰漿、砂粒等雜物進(jìn)行清理，然后采用粘結(jié)度高、流動性好、可注性好、固化體積收縮小、固化時間均按施工工藝要求可調(diào)節(jié)及耐久性好的樹脂類材料對裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，注膠過程要嚴(yán)格按照施工工藝進(jìn)行，注完膠后按要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；碳纖維布粘貼施工時，先對混凝土基面進(jìn)行處理，確保粘貼基面干凈，涂膠時要涂抹均勻，并保證涂層平整，粘貼過程要嚴(yán)格按照施工工藝的要求進(jìn)行，以保證碳纖維布的加固效果。拱波維修加固見圖2。

3.3 拱上建筑的維修加固

拱上建筑的加固采用掛網(wǎng)噴漿方法，首先鑿除腹拱圈、拱墻和橫隔墻的混凝土保護(hù)層，露出主筋，然后在各個部位種植錨固筋，并將鋼筋網(wǎng)與錨固筋焊接，最后清除混凝土表面殘留物，噴射混凝土保護(hù)層；混凝土噴射前應(yīng)在表面涂刷一層混凝土界面劑，并且噴射過程要一次完成，以保證新舊混凝土能更好的形成整體。腹拱的維修加固見圖3。

3.4 橫系梁的維修加固

為了提高橋梁的整體剛度，考慮到橫系梁在設(shè)計時就偏小，因此，采取增加橫系梁和增大原有橫系梁截面的方法進(jìn)行加固。新增加的橫系梁設(shè)置在原有橫系梁的中間，原有橫系梁內(nèi)部鋼筋進(jìn)行補(bǔ)焊，并將截面增加到與拱肋截面同高。

4 加固前后效果對比

4.1 工程實(shí)例

某四跨上承式鋼筋混凝土雙曲拱橋，單跨凈跨徑45 m，橋面寬為1 m(人行道)+6 m(車行道)+1 m(人行道)=8 m，橋墩(臺)及橋臺翼墻采用170號混凝土，基礎(chǔ)采用150號混凝土，拱座用250號鋼筋混凝土。橋墩、橋臺基礎(chǔ)均為明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，基底基巖為砂巖。橋梁設(shè)計荷載為汽車-13級、拖-60。該橋始建于1969年，于1971年投入運(yùn)營。拱肋截面配筋見圖4。

4.2 抗力計算

由《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》，計算中性軸位置

式中：Rg為縱向鋼筋抗拉設(shè)計強(qiáng)度；Ag為縱向抗拉鋼筋截面面積；Ra為混凝土抗壓設(shè)計強(qiáng)度；b為構(gòu)件寬度。

解得：x＝32.55 cm

加固前抗力計算：

式中：rc為混凝土安全系數(shù)，取1.25。

加固后抗力計算：

拱肋經(jīng)過粘鋼加固后，拱肋截面面積增大，抗力增加，抵抗矩增大。拱肋粘鋼后截面見圖5。

中性軸位置：

式中：Rb為粘貼鋼板的抗拉設(shè)計強(qiáng)度；Ab為粘貼鋼板的截面面積；Rg為縱向鋼筋抗拉設(shè)計強(qiáng)度；Ag為縱向抗拉鋼筋截面面積；Ra為混凝土抗壓設(shè)計強(qiáng)度；b為構(gòu)件寬度。

解得：x=37.62 cm

加固后抗力計算：

4.3 效果對比

在將上述加固措施應(yīng)用到工程實(shí)際中后，根據(jù)公路橋涵設(shè)計規(guī)范，計算出橋梁加固前后的抗力值，從數(shù)值結(jié)果的對比看，橋梁的抗力值有了很大的提高。說明本文提出的橋梁加固措施有著較好的效果。

5 結(jié)論

目前，正在服役的公路鋼筋混凝土雙曲拱橋數(shù)量還比較多，其中的大多數(shù)都存在不同程度的病害，給橋梁的安全性、耐久性和可靠性帶來了不利影響。正確分析和總結(jié)既有雙曲拱橋的病害及其成因，對于橋梁的維修加固有著重要意義，同時，本文提出的維修加固措施對今后雙曲拱橋的加固也有重要的參考價值。

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