雙曲拱橋典型病害機(jī)理及加固方法研究

廣西壯族自治區(qū)蒙山公路管理局 廣西梧州 546700

摘要：雙曲拱橋是二十世紀(jì)六七十年代較為流行的橋型，對(duì)當(dāng)時(shí)的交通發(fā)展起到了良好的推動(dòng)作用。但該類拱橋結(jié)構(gòu)整體性差以及當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)手段的局限性，隨著交通量以及重載車輛的增長(zhǎng)，部分此類橋梁結(jié)構(gòu)存在不同程度的病害，本文針對(duì)雙曲拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合具體工程實(shí)例，對(duì)其典型病害的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的加固方法。

關(guān)鍵詞：雙曲拱橋；病害機(jī)理；承載能力；加固方法

1 工程概況

本橋位于國(guó)道321線，為加寬橋梁，舊橋部分為雙曲拱橋，加寬部分為鋼筋混凝土簡(jiǎn)支板梁結(jié)構(gòu)。舊橋部分全長(zhǎng)64米，跨徑布置為3×15.6m，全寬7m，建成于1975年4月，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-15級(jí)、掛車-80級(jí)，跨徑布置如圖1所示。

圖1 舊橋跨徑布置示意圖（單位：cm）

2 病害情況及成因分析

2.1 典型病害

根據(jù)本橋的病害檢測(cè)結(jié)果，目前本橋上部主要承重結(jié)構(gòu)存在以下幾方面的病害：

1）1-3#跨1#腹拱頂部各存在1處橫橋向開裂，裂縫長(zhǎng)度介于1.2-4.6m之間，裂縫寬度最大處約為1mm，如圖2所示。

圖2 腹拱頂部橫向開裂

2）第1跨的1-2#拱肋、第1-3跨的2-3#拱肋和3-4#拱肋之間拱波均存在沿拱軸線方向的裂縫，其中4條通長(zhǎng)貫穿全跨，并且伴有白析現(xiàn)象，最大裂縫寬度約為0.3mm，如圖3所示。

照片3 拱波裂縫

3）第1-3跨各條拱肋L/4-3L/4區(qū)域內(nèi)均存在U型貫通裂縫，裂縫間距介于25-40cm之間，裂縫寬度均小于0.2mm，全橋共發(fā)現(xiàn)此種裂縫254條，如圖4所示。

圖4 拱腹表面橫橋向裂縫

4）拱肋橫系梁上存在豎向裂縫，個(gè)別裂縫為貫通的U型裂縫。其中第1跨2-3#拱肋間2#橫系梁存在3條豎向貫通U型裂縫；第1跨3-4#拱肋間2#橫系梁上存在2條豎向貫通U型裂縫；第2跨2-3#拱肋間2#橫系梁存在4條豎向裂縫，并延伸至貫通底面；第2跨2-3#拱肋間1#橫系梁中部存在1條豎向裂縫，此類裂縫寬度均小于0.2mm，如圖5所示。

圖5 拱肋系梁豎向裂縫

2.2 病害成因分析

1）雙曲拱橋結(jié)構(gòu)主拱圈部分作為裝配式結(jié)構(gòu)其整體性較差。本橋建成于1975年4月，此時(shí)期建造的此類結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和施工不重視橫向聯(lián)系的構(gòu)造，造成作為雙曲拱橋橫向聯(lián)系的橫系梁和拱波發(fā)生開裂現(xiàn)象。在橫向聯(lián)系被削弱后，主拱肋在活載作用下的橫向分布系數(shù)發(fā)生改變，個(gè)別拱肋承載能力不滿足要求，主拱肋產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性受力裂縫。

2）主拱圈截面不足。由于其建設(shè)年代的關(guān)系在設(shè)計(jì)時(shí)過于強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性，造成此類結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)過于精巧，主拱圈截面偏小，造成其承載能力不能適應(yīng)目前的交通量。

3）設(shè)計(jì)理論的局限性。在此類雙曲拱橋設(shè)計(jì)時(shí)，多將主拱圈作為組合結(jié)構(gòu)考慮，忽略了在實(shí)際施工過程中拱肋作為拱波、拱板的施工模板而引起的應(yīng)力路徑問題，致使拱肋由于應(yīng)力過大造成其開裂現(xiàn)象。

4）施工問題。在施工過程中過分強(qiáng)調(diào)施工速度，在拱波安裝過程中，拱腳處未固結(jié)時(shí)即鋪設(shè)上部填料，造成拱波產(chǎn)生施工階段裂縫。

3 主要加固方式

針對(duì)雙曲拱橋典型病害的主要產(chǎn)生機(jī)理，目前雙曲拱橋的加固方式主要有以下幾種：

1）針對(duì)主拱圈構(gòu)件的加固。

針對(duì)雙曲拱橋的整體性較差、承載能力較低的特點(diǎn)，目前主要采用增強(qiáng)主拱肋、拱波以及橫系梁截面的方式進(jìn)行加固，具體如下：

（1）由于雙曲拱橋在其設(shè)計(jì)建造期間，其所承擔(dān)的交通量較小，主拱肋截面在設(shè)計(jì)時(shí)截面高度和寬度不足，導(dǎo)致截面的剛度和強(qiáng)度不能滿足現(xiàn)有荷載量的要求，目前一般采取噴錨混凝土加大截面、粘貼鋼板的方式提高其強(qiáng)度和剛度的方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。此類方法可以較為有效地增加主拱肋截面的強(qiáng)度，但是在加固過程中可能會(huì)對(duì)原結(jié)構(gòu)造成一定的破壞。

（2）雙曲拱橋作為裝配式結(jié)構(gòu)，其自身存在整體性不強(qiáng)的缺陷，在設(shè)計(jì)時(shí)由于當(dāng)時(shí)建設(shè)條件的局限，作為雙曲拱橋橫向聯(lián)系的拱肋間橫系梁和拱波一般截面尺寸較小，在活載作用下發(fā)生破壞，橫向聯(lián)系破壞后進(jìn)一步削弱了此類結(jié)構(gòu)的橫向聯(lián)系，造成各個(gè)拱肋見橫向分配系數(shù)的不均勻性，因此在加固時(shí)針對(duì)橫向聯(lián)系的補(bǔ)強(qiáng)對(duì)改善結(jié)構(gòu)受力性能有著非常重要的意義。

此類方法可以較為有效地增加主拱肋以及橫向聯(lián)系的強(qiáng)度和剛度，但是在加固過程中可能會(huì)對(duì)原結(jié)構(gòu)造成一定的破壞，此外增大截面會(huì)使主拱圈拱軸線偏離設(shè)計(jì)值，改變其恒載作用下的內(nèi)力，應(yīng)予以重視。此類加固方法如圖6、7所示。

圖6 某雙曲拱橋加固前主拱截面形式及尺寸（單位：cm）

圖7 某雙曲拱橋加固后主拱截面形式及尺寸（單位：cm）

2）針對(duì)拱上填料的換填。

（1）對(duì)拱上填料進(jìn)行換填處理，采用合理的拱上填料可以有效的改善雙曲拱橋主拱圈在活載作用下的橫向分布系數(shù)，使各拱肋在活載作用下均勻受力，達(dá)到改善主拱肋整體受力性能的目的。

（2）由于雙曲拱橋一般建設(shè)年代較早，其上橋面系在線路時(shí)的加鋪或挖出將會(huì)造成恒載的增大或減小，造成主拱圈壓力線與拱軸線的偏離，造成主拱肋在恒載作用下即存在較大的彎矩，更換拱上填料可以在保證現(xiàn)有橋面標(biāo)高的前提下，有效的改善主拱圈的受力性能，降低其恒載內(nèi)力。

采用此類方法進(jìn)行加固前，應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)主拱圈幾何參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算分析，使換填后的主拱圈恒載壓力線與拱軸線盡量重合。

3）更改結(jié)構(gòu)形式

在雙曲拱橋加固時(shí)，也可采用在拱波內(nèi)填實(shí)混凝土等方式，將雙曲拱橋改變?yōu)榘骞暗绕渌Y(jié)構(gòu)形式，從根本上解決其整體性較差的缺陷。但此類方法一般會(huì)提高加固成本，且新加截面多位于原主拱圈截面形心軸附近，對(duì)提高其承載能力幫助不大。

4 結(jié)語

以上介紹了雙曲拱橋的主要病害形式、產(chǎn)生機(jī)理及相應(yīng)的加固方式，在針對(duì)雙曲拱橋維修加固的工程實(shí)踐中，應(yīng)綜合考慮現(xiàn)有結(jié)構(gòu)具體的結(jié)構(gòu)型式、病害機(jī)理、現(xiàn)有荷載等級(jí)等方面的因素后，采取適當(dāng)、有效地方法對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

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作者簡(jiǎn)介：

*蒙麗華（1975），女，廣西人，工程師，主要從事公路養(yǎng)護(hù)橋梁管理、公路養(yǎng)護(hù)工程建設(shè)、公路養(yǎng)護(hù)管理（E-mail：lcjmlh@126.com）；