淺析雙曲拱橋主拱圈的維修加固

白海強

（中國城市建設(shè)研究院有限公司，陜西 西安 710000）

雙曲拱橋始創(chuàng)于1964年， 是一種新型拱橋。 它是由拱肋、拱波、拱板和橫向聯(lián)系構(gòu)件幾個部分組成，外形在縱橫兩個方向均成弧形曲線，因此稱為雙曲拱。它充分發(fā)揮了預(yù)制裝配的優(yōu)點，可以不要施工拱架，將主拱圈以“化整為零”的方法按先后順序進行施工，再以“集零為整”的方式組合成承重的整體結(jié)構(gòu)。施工進度快并且節(jié)省材料、造價低、結(jié)構(gòu)輕巧及造型美觀。

但是，有相當(dāng)一部早期修建的雙曲拱橋，由于受到當(dāng)時條件的限制，在結(jié)構(gòu)上不夠完善，設(shè)計技術(shù)等級偏低，理論研究不充分以及施工質(zhì)量不佳等原因，特別是當(dāng)時片面地強調(diào)大跨徑、節(jié)省材料等因素，使很多雙曲拱橋存在不同程度的病害。因此，對雙曲拱橋進行技術(shù)改造是當(dāng)前我國公路橋梁建設(shè)中迫切需要面對的問題。

1 雙曲拱橋主拱圈的各種病害及加固方法

雙曲拱橋主拱圈的常見病害主要有以下幾個方面。

1.1 地基承載力不足引起的病害

由于在恒載和上部活載的共同作用下，主拱圈的拱腳將產(chǎn)生較大的水平推力，水平推力將通過橋臺傳向地基。而對于修建在軟土地基上或基底處理不當(dāng)?shù)碾p曲拱橋，由于地基承載力的不足，地基土不能對拱腳提供有效的橫向約束，可能導(dǎo)致地基土在拱腳水平推力的作用下發(fā)生變形，向外側(cè)偏移，橋臺由于失去約束作用也會隨著地基土向外側(cè)偏移，導(dǎo)致拱頂向下?lián)锨?，主拱圈矢高降低，跨徑變大，因而拱軸線與壓力線發(fā)生較大偏離，對橋梁的整體受力極為不利。這時在上部恒載以及活載的共同作用下，在拱頂區(qū)段，正彎矩較大幅度增加，產(chǎn)生由下向上延伸的徑向裂縫，而在拱腳附近，負彎矩同樣較大幅度增加，產(chǎn)生又外側(cè)向內(nèi)側(cè)延伸的徑向裂縫。

拱腳附近的徑向裂縫一般發(fā)生在拱腳附近拱肋的側(cè)面上，裂縫由拱肋的外側(cè)向內(nèi)側(cè)延伸。當(dāng)雙曲拱橋不設(shè)錨入拱座的拱背鋼筋時，這類裂縫一般發(fā)生在拱肋與拱腳的交接處，裂縫數(shù)量較少，寬度較大；當(dāng)設(shè)置錨入拱座的拱背鋼筋時，裂縫一般將會發(fā)生在拱腳截面附近，裂縫數(shù)量相對較多。

加固方法：用頂推法消除橋臺位移并進行地基加固。

當(dāng)雙曲拱橋所處地段的地基承載力不足，橋臺在水平推力的作用下向外側(cè)發(fā)生偏移時，可以采用頂推法來消除橋臺位移所引起的病害，然后再對地基進行加固處理。頂推法的基本做法是在兩端橋臺的拱腳處安裝千斤頂，將拱肋自拱腳向跨中方向頂推。頂推時在拱腳處設(shè)置牛腿夾具，采用高強螺栓將鋼制牛腿夾具夾緊在拱腳側(cè)面，依靠夾具和拱肋表面的摩阻力傳遞置于橋臺拱腳處千斤頂?shù)捻斖屏?。頂推時千斤頂順拱腳軸線方向放置并施力，使拱腳產(chǎn)生水平位移并有相應(yīng)的抬高，待兩端橋臺恢復(fù)到原先的位置后，用快硬水泥將拱座處形成的空縫填充。這樣一來，拱軸線經(jīng)過調(diào)整后與壓力線再次接近，為了防止由于地基土軟弱而引起橋臺的再次偏移，可以采用擠密、振密等方法對地基進行加固處理，以從根本上改善橋梁的受力情況。

1.2 拱肋承載力不足引起的病害

拱肋是主拱圈最重要的組成部分，直接承受著上部活載以及全橋恒載的作用。當(dāng)拱肋的截面尺寸不足或材料強度不足時，拱肋截面的抗彎慣矩將偏小，因此，無法抵抗全橋恒載以及上部活載所產(chǎn)生的彎矩作用，這樣，主拱圈的拱頂附近在正彎矩的作用下會產(chǎn)生由下向上延伸的徑向裂縫。這種裂縫一般分布在拱肋的側(cè)面頂上，裂縫寬度由下向上逐漸減小。當(dāng)荷載彎矩相對主拱圈截面的抵抗彎矩不大時，裂縫分布在拱頂附近2～3 m的范圍內(nèi)，寬度一般為0.1 mm左右，延伸長度約為0.2～0.3 m；當(dāng)荷載彎矩相對主拱圈抵抗彎矩較大時，裂縫分布范圍可達1/4～3/4 m，裂縫寬度可達0.5 mm以上，延伸長度約為0.2～0.3 m。而主拱圈的拱腳附近在負彎矩的作用下會產(chǎn)生由外側(cè)向內(nèi)側(cè)延伸的徑向裂縫。這種裂縫一般發(fā)生在拱腳附近拱肋的側(cè)面上，裂縫寬度由外向內(nèi)逐漸減小。當(dāng)雙曲拱橋不設(shè)錨入拱座的拱背鋼筋時，這類裂縫一般發(fā)生在拱肋與拱腳的交接處，裂縫數(shù)量較少，寬度較大。當(dāng)設(shè)置錨入拱座的拱背鋼筋時，裂縫一般將會發(fā)生在拱腳截面附近，裂縫數(shù)量相對較多。

加固方法：用環(huán)氧砂漿粘貼鋼板鋼筋、用外包混凝土加大拱肋截面或增加拱肋數(shù)量。

1.3 拱肋間橫向聯(lián)系剛度不足引起的病害

當(dāng)雙曲拱橋的橫向聯(lián)系薄弱時，主拱圈橫向整體性與抗扭剛度將會大大降低，使得各個拱肋和拱波之間的荷載分布不均勻，以致部分拱肋和拱波受力過大，而其余的拱肋與拱波所分擔(dān)的活載比重過小，所以主拱圈的橫向整體性顯得尤為重要。為了保證主拱圈的橫向聯(lián)系剛度，通常需要跨間設(shè)置橫系梁、橫隔板等。然而，在過去設(shè)計橋中，剛度小會導(dǎo)致拱圈受力不均，不但會在拱頂和拱腳的位置經(jīng)常出現(xiàn)徑向裂縫，而且在拱波頂也常出現(xiàn)縱向裂縫，拱波頂?shù)目v向裂縫位于拱波頂?shù)酌妫芽p沿拱波頂縱向延伸，在橋?qū)挿较蛏贤袛?shù)條。裂縫寬度一般較大，通常在0.2～0.3 mm左右。

加固方法：加強橫向聯(lián)系。

為保證雙曲拱橋各個拱肋與拱波之間共同作用，均勻受力，加強橫向聯(lián)系的方法一般可采用以下幾種：

（1）當(dāng)原橫系梁截面尺寸偏小，剛度不足時，可在原橫梁下緣設(shè)置沿橋?qū)捦ㄩL的鋼筋，再采用噴射混凝土的方法增大橫系梁截面，從而增大了系梁的整體剛度。

（2）在原橫系梁基礎(chǔ)上設(shè)置通長鋼筋，再將橫系梁增高至與拱波相連接，使之成為貫穿全橋橫向的橫隔板。

（3）對于原來設(shè)置套管拉桿橫向聯(lián)系的雙曲拱橋，其套管只能起橫向拉結(jié)作用，而對肋波的抗扭剛度作用不大。加固時可拆除原套管改為橫隔板，也可沿拱圈增加新的橫系梁或橫隔板。

1.4 拱肋與拱波間未設(shè)錨固鋼筋或拱波座漿不良引起的病害

當(dāng)拱肋與拱波之間未設(shè)錨固鋼筋或錨固鋼筋數(shù)量較少時，拱肋與拱波結(jié)合面的剪力和拉力會在橋臺水平位移或基礎(chǔ)變位的情況下大大增加，因而拱肋與拱波之間的施工工作縫會因拉力和剪力的增加而沿著拱波頂環(huán)形發(fā)展，從而形成環(huán)形裂縫。當(dāng)拱波座漿不良或拱波腳斜面角度過大時，會引起拱波受力不合理。當(dāng)砌筑砂漿質(zhì)量差、含水量大時，會引起拱波的失水干縮，這些因素往往也會導(dǎo)致拱波頂出現(xiàn)這種環(huán)形裂縫。這類裂縫往往發(fā)生在主拱圈的拱波頂上，裂縫從主拱圈的一個拱肋與拱波的交接處沿拱波跨徑方向向另一個拱肋與拱波的交接處延伸，并且裂縫成環(huán)形，與拱波輪廓線形式基本一致。

加固方法：外包混凝土加大拱肋截面。

2 結(jié)語

通過對雙曲拱橋的病害分析以及對各種病害加固方法的對比分析，綜合得出了以下結(jié)論：

（1）雙曲拱橋的病害具有復(fù)雜性和多樣性，對于每一種病害的加固維修，不能簡單地從表面現(xiàn)象入手，應(yīng)根據(jù)舊橋的病害情況認(rèn)真分析導(dǎo)致這種病害本質(zhì)原因，選擇最為合理的加固方案。

（2）由于雙曲拱橋是以“集零為整”的方式組合成承重的整體結(jié)構(gòu)，故其整體性能較差，拱肋之間的橫向聯(lián)系較為薄弱，通常不能滿足拱波對其橫向剛度的要求，而這正是造成雙曲拱橋病害的最主要的原因。

（3）雙曲拱橋在加固改造時，應(yīng)該本著對癥下藥、標(biāo)本兼治、方便施工的原則，盡量避免或減少對原結(jié)構(gòu)的損傷破壞。