空腹式等截面雙曲拱舊橋橋梁安全分析與加固方法

張青松（安徽省水利部淮委水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000）

1 概述

雙曲拱橋于1964年由江蘇無(wú)錫建橋工人首創(chuàng)，主拱圈由拱肋、拱波、拱板和橫向聯(lián)系等部件組成，外形在縱橫兩個(gè)方向上均呈弧形曲線，且與主拱圈的曲線正交，稱為雙曲拱橋。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(guó)的公路交通事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。主拱圈的特點(diǎn)是先化整為零，再集零為整，施工時(shí)可以不要拱架、施工進(jìn)度快、所用鋼材不多。它充分利用了預(yù)制裝配的優(yōu)點(diǎn)，使得施工過(guò)程適應(yīng)了無(wú)支架施工和無(wú)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[1]。

對(duì)于使用多年的雙曲拱橋出現(xiàn)了許多的病害，諸如拱波縱向開裂、拱肋破壞露筋、拱上建筑開裂和橫系梁破壞等。這些病害影響橋梁的承載能力，對(duì)交通安全構(gòu)成威脅，甚至?xí)l(fā)橋梁坍塌的惡性事故發(fā)生。

本文以某水庫(kù)溢洪道雙曲拱橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)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，采用有限元軟件MIDAS對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，并對(duì)維修加固措施進(jìn)行了探討。

2 雙曲拱橋主要病害及成因

1）主拱肋為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，除少數(shù)部位存在鋼筋銹脹、混凝土剝落、鋼筋外露銹蝕外，主拱肋基本完好，無(wú)明顯開裂等現(xiàn)象。病害原因是拱肋截面配筋偏少，混凝土標(biāo)號(hào)不高，拱肋的承載能力和抗開裂能力不高；且荷載橫向分布較差導(dǎo)致拱肋受力的不均勻，使個(gè)別拱肋受力過(guò)大；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)；橋墩承臺(tái)基礎(chǔ)下沉及傾斜造成拱軸線偏離，拱肋受力發(fā)生變化。

2）拱波存在縱向開裂現(xiàn)象，裂縫較多，但縫寬較小，病害產(chǎn)生的主因是拱波太薄，鋼筋保護(hù)層不足，拱波配筋很少，鋼筋網(wǎng)鋼筋間距太大，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。

3）拱上建筑開裂，拱上建筑受力相對(duì)復(fù)雜[1]。橋梁荷載通過(guò)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(duì)腹拱來(lái)說(shuō)相當(dāng)于施加了墩臺(tái)位移；混凝土的碳化與鋼筋銹蝕現(xiàn)象產(chǎn)生；從結(jié)構(gòu)角度看，雙曲拱橋的腹拱是一組小跨的連拱，單片腹拱的變形可影響到相連的腹拱。

4）橫系梁破壞，雙曲拱橋的橫系梁在設(shè)計(jì)時(shí)就存在問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)程中卻達(dá)不到預(yù)期的效果，說(shuō)明橫系梁的設(shè)計(jì)和計(jì)算存在著不足。

5）橋墩(臺(tái))開裂、混凝土剝落、鋼筋外露；基礎(chǔ)局部沖空，翼墻、耳墻破壞，錐坡、護(hù)坡破壞等[2]。

橋墩身混凝土常干濕交替變化，碳化速度大，墩鋼筋銹脹現(xiàn)象普遍，造成墩表面較常見的混凝土剝落現(xiàn)象，混凝土耐久性遭到破壞；基礎(chǔ)底部沖刷一般是由于基底圍護(hù)缺失引起的，且水流速較快，沖刷形成孔洞；翼墻、耳墻破壞，錐坡、護(hù)坡的破壞等病害多為施工質(zhì)量較差，后期缺乏養(yǎng)護(hù)等因素引起。

3 橋梁承載能力復(fù)核計(jì)算

3.1 工程概況

該溢洪道橋建于上世紀(jì)七十年代，為等截面懸鏈線空腹式懸鏈線雙曲拱橋，全橋?yàn)?孔雙曲拱橋，每孔凈跨徑為25.0m；橋面寬為5.5m，設(shè)計(jì)荷載為汽車-10級(jí)。主拱矢跨比為1/8，拱軸系數(shù)為m=2.814；主拱圈的截面尺寸見圖1。拱肋混凝土標(biāo)號(hào)為C25，拱板和拱波混凝土標(biāo)號(hào)為C20。拱上建筑采用跨徑為2.4m的空腹拱及漿砌石立墻，腹拱矢跨比1/6，混凝土標(biāo)號(hào)為C15。該橋處于水庫(kù)溢洪道上，下部結(jié)構(gòu)采用重力墩臺(tái)。

3.2 計(jì)算建模

拱橋?yàn)槎啻纬o定結(jié)構(gòu)，雙曲拱橋拱上建筑結(jié)構(gòu)在一定程度上要參與拱圈受力，拱上建筑的聯(lián)合作用受腹拱的矢跨比、拱圈與腹拱的相對(duì)剛度、拱圈與立柱的相對(duì)剛度、主拱的矢跨比、拱圈截面縱橋向的位置等因素的影響。為客觀評(píng)定其實(shí)際承載能力，合理計(jì)算拱上建筑的聯(lián)合作用，利用1MIDAS有限元分析軟件，采用梁格法建立雙曲拱橋的空間計(jì)算模型[3][4]。

1）主拱圈、腹拱圈、立柱、墩臺(tái)容重:25kN/m3。拱上填料容重:19kN/m3。拱頂填料總厚為500mm(未包括橋面鋪裝)，在主拱圈計(jì)算時(shí), 考慮沖擊系數(shù)及汽車荷載橫向分布問(wèn)題。 橋面鋪裝混凝土容重:25kN/m3，鋪裝層平均厚為150mm。車道荷載：公路－II級(jí)。人群荷載：人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值取3.0KN/m2。

2）應(yīng)用MIDAS有限元分析軟件，采用梁格法，在彈性理論范圍內(nèi)，建立雙曲拱橋空間模型。主拱圈用3根縱向曲梁來(lái)模擬；3根縱向曲梁間以橫梁連接，橫梁的橫向抗彎剛度和抗扭剛度根據(jù)拱板、拱波和橫系梁的橫向抗彎剛度和抗扭剛度確定；拱圈上部建筑為砌體結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化計(jì)算采用釋放端部約束的桿件進(jìn)行模擬，側(cè)墻、實(shí)腹段填料及橋面鋪裝厚度僅作為附加恒載計(jì)入。拱腳按固結(jié)邊界條件考慮，故可按固定鉸拱計(jì)算[5]，主拱圈斷面0.3m×0.3m計(jì)算模型見圖1。

圖1 主拱圈縱向梁格劃分示意圖

3.3 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)有限元模型內(nèi)力計(jì)算及承載力驗(yàn)算:橋梁在恒載和活載作用下，拱圈以拱腳截面受力最大,彎矩為431KNm，軸力為2417KN。按照此彎矩和軸力進(jìn)行配筋計(jì)算，經(jīng)計(jì)算截面相對(duì)界限受壓區(qū)計(jì)算高度ξb＝0.544，截面受壓區(qū)高度ξ＝0.728，ξb＜ξ，拱肋屬超筋破壞類型，拱肋截面尺寸明顯不足，因此主拱肋不滿足橋面安全使用承載力要求。

4 維修加固措施研究

由于鋼筋混凝土雙曲拱橋的病害較多，對(duì)不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用不同的加固方法，主要修復(fù)各個(gè)損傷構(gòu)件，加固后維持原狀，避免對(duì)原有結(jié)構(gòu)的損傷。

1）拱肋（主拱圈）

拱肋作為雙曲拱橋的主要受力構(gòu)件，關(guān)系著整個(gè)橋梁的安全運(yùn)營(yíng)和承載能力。橋梁承載能力適用的可采用環(huán)氧砂漿噴漿阻斷混凝土碳化進(jìn)程，對(duì)于承載力不足的橋梁建議采用粘貼鋼板方法：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，該方法具有施工簡(jiǎn)便、粘鋼所占空間小、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)[6]。

2）拱波的維修加固

對(duì)于拱波上的縱向裂縫先采用注膠法對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，再用粘貼碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。施工過(guò)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(shí)，粘貼過(guò)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。

3）拱上建筑的維修加固

采用掛網(wǎng)噴漿方法，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(gè)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。

4）橫系梁的維修加固

采用增大截面法提高橋梁的整體剛度，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。

5 結(jié)論

目前，數(shù)量眾多的鋼筋混凝土雙曲拱橋仍在服役，其中的多數(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(lái)了不利影響。正確的對(duì)橋梁進(jìn)行檢查分析和總結(jié)雙曲拱橋的病害及其成因，有利于有針對(duì)性的對(duì)病害橋梁進(jìn)行維修加固，對(duì)于保障交通安全有著重要意義，本文通過(guò)實(shí)例對(duì)橋梁進(jìn)行檢查、復(fù)核計(jì)算，并探討了維修加固措施，希望對(duì)同類型的雙曲拱橋的病害處理有一定的參考價(jià)值。

[1]宋俊杰,劉湘江,楊真春，拱上建筑加載順序?qū)χ鞴叭Φ挠绊慬J] 山東交通學(xué)院學(xué)報(bào) 2003.02.35~37。

[2]王燦,朱新實(shí).雙曲拱橋病害原因分析及處治對(duì)策的研究[J].公路.2002 (11):74-76.

[3]公路雙曲拱橋上部構(gòu)造設(shè)計(jì)計(jì)算 人民交通出版社（交通部科學(xué)研究院等）

[4]楊志華，梁格法在混凝土連續(xù)箱梁橋計(jì)算中的應(yīng)用[J] 中國(guó)水運(yùn)（理論版） 2006.5（4）.69～70.

[5]黃僑，葛占釗，林陽(yáng)子，梁格法在雙曲拱橋承載能力評(píng)估中的應(yīng)用[J] 中外公路，2007.12（27），89～92.

[6]中華人民共和國(guó)交通部.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D62-2004).2004.