增大截面法加固混凝土拱橋方法研究

王志才

(北京中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán))

1 前言

目前我國的交通建設(shè)事業(yè)正如火如荼，總體來看未來幾十年中，新建工程項目將逐漸減少，橋梁的養(yǎng)護(hù)、維修、加固及改造工程逐漸成為主流。拱橋在我國橋梁中占有很大比重，有大量的拱橋需要進(jìn)行加固改造，其中不乏重要路段的大跨度拱橋。目前，越來越多的文獻(xiàn)研究關(guān)于舊橋的維修加固工作。為舊橋加固的病害分析及加固方式方法提供了理論依據(jù)。結(jié)合某大跨度拱橋的維修加固工作，通過計算對比加固前后截面截面承載能力增大值，從實際設(shè)計方面考慮拱橋加固中較實際有效的加固方式——增大截面法。通過對增大截面加固拱橋的設(shè)計及施工工藝分析，旨在探索對舊拱橋加固改造過程中的理論分析和評估方法。

2 增大截面法加固舊拱橋的優(yōu)勢

增大截面加固法也稱之為外包混凝土加固法，是采用同種材料即混凝土和鋼筋增大結(jié)構(gòu)物的截面面積，提高抗彎慣性矩，從而提高結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及抗裂性能。

拱式橋受力特性大多數(shù)為偏心受壓構(gòu)件。改變結(jié)構(gòu)物的截面尺寸，對增加強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性方面較其他加固方式更加效果明顯。但是也有一定的缺點，就是新增加混凝土?xí)黾釉瓨?gòu)件的負(fù)擔(dān)。還必須考慮下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的承受力是否滿足。因此，拱橋增加大截面尺寸不宜過大，通過大量拱橋計算評估，加固厚度一般取15～20 cm為宜。并且在加固過程中，應(yīng)阻止交通，并盡量較少上部恒載。

增大截面加固法屬于被動加固法，加固構(gòu)件的作用(或荷載)效應(yīng)分兩個階段：第一階段，新澆筑混凝土層在達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值之前，構(gòu)件按原構(gòu)件截面計算。即構(gòu)件原截面要承受加固前本身的自重及因增大截面產(chǎn)生的自重作用，截面拉、壓邊的混凝土及鋼筋已有的初始應(yīng)力或者應(yīng)變。第二階段：新澆筑混凝土層達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值后，構(gòu)件按加固后整體截面計算，作用(或荷載)應(yīng)考慮包括加固后構(gòu)件自重在內(nèi)的恒載，二期作用恒載及使用階段的可變作用。

根據(jù)受力特點，增大截面加固屬于兩階段受力，需要采用換算截面分階段計算，才能反應(yīng)各材料的受力狀況。并進(jìn)行強(qiáng)度驗算。因此，在計算的時候符合截面平截面假定，新增混凝土與舊橋混凝土粘貼可靠、變形協(xié)調(diào)一致。計算的原理是按彈性理論的方法分別計算加固前及加固后截面邊緣新、舊混凝土壓應(yīng)力。并疊加成實際的最終應(yīng)力。從而驗算截面的強(qiáng)度及裂縫情況。以混凝土的壓應(yīng)力及鋼筋的拉應(yīng)力作為強(qiáng)度控制要素。對加固后的截面進(jìn)行持久狀況承載能力極限狀態(tài)的承載力進(jìn)行計算。

(1)第一階段計算，即增大截面的混凝土凝固之前由構(gòu)件自重及新增混凝土產(chǎn)生截面彎矩對截面邊緣舊混凝土及鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)力，如圖1。圖中M和N值包含原構(gòu)件自重及新增加混凝土產(chǎn)生的彎矩及軸力。

恒載彎矩包含原構(gòu)件自重及新增加混凝土自重產(chǎn)生的彎矩。

(2)第二階段計算，即加固后構(gòu)件新、舊混凝土形成整體共同承擔(dān)活載和后增加恒載產(chǎn)生的彎矩對截面新、舊混凝土及鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)力。圖中M、N值包含加固后新增二期荷載，及活載對截面產(chǎn)生的彎矩及軸力。

第一階段與第二階段應(yīng)力疊加形成截面最終應(yīng)力狀態(tài)。截面應(yīng)力在新舊混凝土交界處發(fā)生突變，中性軸位置下移，使得混凝土受壓高度增大。加固承載能力提高。

圖1 截面彎矩對截面邊緣舊混凝土及鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)力

3 工程實例分析

1某橋位于省道S350線上，跨徑組合為5×45 m，橋梁全長258.5 m，橋面凈寬度為12 m，上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土上承式雙曲拱橋，下部結(jié)構(gòu)采用多柱式墩，設(shè)計荷載為汽-20級、掛-100級，于1978年6月12日建成通車。

該橋經(jīng)過30年得運營，出現(xiàn)了一定程度的病害，經(jīng)過相關(guān)部門的檢測鑒定為危橋，需要對其進(jìn)行維修加固。計算采用有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)建立空間模型，進(jìn)行受力分析。對加固前結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確評估，對加固后結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確計算。以確定加固方案的實施及加固效果的評價。為簡化計算過程，對該橋兩個邊孔及一跨中孔建立模型如圖所示：采用空間梁單元建立，由拱肋、拱肋連接系、拱上立柱、墩上立柱、橫系梁、縱梁幾個部分組成，建立模型時候采用實際的拱軸線。

采用加固方法：對主拱圈拱肋采用增大截面法進(jìn)行加固，其方法為在在拱肋兩側(cè)各加厚12 cm，下緣加厚15 cm混凝土;原橋橫系梁兩側(cè)各加厚12 cm橫系梁下緣加厚至與拱肋新增截面平齊。

按承載能力荷載極限狀態(tài)進(jìn)行荷載組合，內(nèi)力組合應(yīng)考慮下列三組組合型式。

組合Ⅰ：恒載+汽車

組合Ⅱ：恒載+汽車+收縮徐變+溫度

組合Ⅲ：恒載+掛車

表1、2給出了該主拱圈。腹拱圈各截面在各組合作用下的計算結(jié)果。限于篇幅僅僅列出最不利組合Ⅱ下，主拱圈和腹拱圈各關(guān)鍵截面偏心受壓承載能力計算值。

表1 加固前、后主拱肋承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度演算

表2 加固前、后腹拱圈承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度演算

通過表格中的對加固前加固后主拱圈和腹拱圈加固前后做對比，可得，增大截面加固后對原拱橋承載能力有了較大提升，加固效果明顯。

4 施工工藝

本橋混凝土增大截面采用錨噴混凝土施工工藝，其施工流程為先對受噴面進(jìn)行清洗與鑿毛，使噴射混凝土與原結(jié)構(gòu)有足夠粘結(jié)力，保證兩種混凝土達(dá)到整體受力的要求。鑿毛用人工鑿成深度約5 mm，密度為9～12點/10 cm2的小坑。

在拱圈及腹拱圈表面按一定間距植入鋼筋，并將增大截面鋼筋焊接到植筋上，構(gòu)成鋼筋骨架。

噴射混凝土。噴射混凝土層的厚度根據(jù)設(shè)計需要確定。每次噴護(hù)厚度不宜超過8 cm。前后噴射混凝土的時間間隔一般小于2 h。視水泥品種，施工時間的氣溫和速凝劑等因素而定。

5 結(jié)束語

增大截面加固法是一種傳統(tǒng)的加固方法。優(yōu)點是方法簡單，實用面廣，廣泛適用于梁、板、柱、墻的加固，有其是對受壓結(jié)構(gòu)、偏心受壓結(jié)構(gòu)加固效果尤其明顯。近幾年，新材料。新施工工藝的實施使得這種加固方法有了更廣泛的應(yīng)用范圍。但是該加固方法也有一定的缺點，就是現(xiàn)場作業(yè)量大。養(yǎng)護(hù)期比較長。對生產(chǎn)和生活有一定的影響。本文通過對增大截面的受力特性進(jìn)行研究，旨在今后加固工作中不斷推出新的工藝，施工方法。使得增大截面這一加固方法不斷注入新的血液，揚(yáng)長避短。這在我國當(dāng)前存在大量需要維修改造的情況下，具有一定的實際意義。

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［1］中華人民共和國交通部部標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵設(shè)計規(guī)范(合訂本)，1989.

［2］中華人民共和國行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn).公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范(JTG/TJ22-2008)［S］.

［3］中華人民共和國行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn).混凝土橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTG/TJ22-2008)［S］.

［4］范立礎(chǔ).橋梁工程(上、下)第二版［M］.北京：人名交通出版社，1996.