提升結(jié)構(gòu)抗力的拱橋加固技術(shù)新方法研究

羅光，張?jiān)?，楊?/p>

（廣西翔路建設(shè)有限責(zé)任公司，廣西南寧 530029）

0 引言

橋梁投入運(yùn)營以后，隨著運(yùn)營年限的不斷增長，橋梁結(jié)構(gòu)會相繼出現(xiàn)不同程度的破損、開裂，以及構(gòu)件老化等現(xiàn)象，喪失了原有的承載能力。尤其在交通運(yùn)輸方式快速發(fā)展的今天，公路交通網(wǎng)絡(luò)不斷向西部延伸，提升西部偏遠(yuǎn)地區(qū)的公路運(yùn)輸能力迫在眉睫。在交通量急劇增加的同時(shí)，重載車數(shù)量也隨之大幅增加，對橋梁結(jié)構(gòu)安全、重載行駛的承載能力也提出了更高的要求。隨著交通量的增加，拱橋勞損以及病害的出現(xiàn)，加固技術(shù)的研究成為必不可少的一部分。同時(shí)，在滿足恢復(fù)或提高其承載力的基礎(chǔ)上，保障通行、降低維護(hù)費(fèi)用、簡化施工工序、提高施工安全等因素成為加固設(shè)計(jì)中不可缺少的條件。

1 現(xiàn)階段國內(nèi)外拱橋加固方法研究現(xiàn)狀與不足

1.1 現(xiàn)階段我國拱橋加固方法

現(xiàn)階段我國對拱橋的加固較傳統(tǒng)拱橋加固而言，不僅在新技術(shù)上進(jìn)行了研究，更在原有的加固理論下進(jìn)行了深入挖掘，提出了新的思路和方法，總體可以歸為以下幾種：

1.1.1 增大截面法

增大截面法即為加大拱圈截面尺寸，并在原拱圈承載能力不足的基礎(chǔ)上增加截面的配筋，以提高構(gòu)件的整體剛度，改善了拱的受力性能。

1.1.2 粘貼法

粘貼法屬于增大截面法的一種，其不同之處在于主拱圈下緣受拉超過抗拉極限承載力時(shí)，主拱圈受拉側(cè)會產(chǎn)生不同程度的裂縫，導(dǎo)致拱圈承載能力、安全性以及可靠性降低。粘貼法即通過在拱圈受拉側(cè)粘貼鋼板等加固材料，增加截面剛度，提高拱圈的承載能力。粘貼法優(yōu)勢在于其加固材料的多重發(fā)展，相較于增大截面法，更具有經(jīng)濟(jì)適用性。

1.1.3 改變結(jié)構(gòu)體系受力法

改變結(jié)構(gòu)體系受力法是在拱橋上部恒載過大或是拱腳基礎(chǔ)承載力不能滿足要求時(shí)，拱軸線將發(fā)生改變，拱腳發(fā)生位移或是轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致主拱圈的承載能力降低，從而改變拱橋受力狀況，減輕上部恒載，調(diào)整傳力模式，以達(dá)到加強(qiáng)效果[1]。

1.1.4 釋能法

釋能法[2]，同樣是改變原橋的結(jié)構(gòu)受力體系，不同于改變結(jié)構(gòu)體系受力法減輕上部恒載，釋能法在不干擾拱橋結(jié)構(gòu)的情況下，對拱腳部分進(jìn)行處理，例如將無鉸拱體系轉(zhuǎn)換為平鉸拱體系，釋放拱腳截面處產(chǎn)生的負(fù)彎矩，使得整個(gè)拱圈的內(nèi)力發(fā)生重分布，從而可以充分利用主拱圈富余的截面強(qiáng)度，達(dá)到提高承載力的效果。釋能法的優(yōu)勢在于可以明顯縮短拱橋加固工期，保證施工安全，同時(shí)不影響交通，節(jié)省加固施工費(fèi)用及材料費(fèi)用。

1.1.5 增加輔助構(gòu)件加固法

在主拱圈下部增加拱肋，將新增加拱肋與主拱圈連成一體，共同受力。又或在主拱圈兩側(cè)增加拱肋，通過橫向聯(lián)結(jié)系與原拱橋結(jié)合，提高拱橋承載力[3]。

1.1.6 體外預(yù)應(yīng)力加固法

體外預(yù)應(yīng)力加固法在拱橋加固中分為縱向張拉預(yù)應(yīng)力筋加固和橫向張拉預(yù)應(yīng)力筋加固兩種方式[4]。若拱橋拱腳存在水平部分側(cè)向位移，可通過在拱腳部位加設(shè)錨固點(diǎn)，張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋或是采用鋼筋混凝土拉桿連接兩端拱腳，以達(dá)到限制位移，提高強(qiáng)度的目的。部分橋梁存在拱上建筑以及側(cè)墻外鼓、外傾現(xiàn)象，沿拱橋橫向設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋同樣可以提高橋梁承載能力。

1.2 國外拱橋加固方法研究現(xiàn)狀

1.2.1 拱橋加固設(shè)計(jì)特點(diǎn)

近年來，在發(fā)達(dá)國家，改造舊拱橋通常加上功能性翻新，根據(jù)某種方法，既考慮橋梁的特點(diǎn)、維護(hù)和功能需求，又把與修復(fù)加強(qiáng)系統(tǒng)涉及到的環(huán)境問題考慮進(jìn)去。

克勞迪奧摩德納等人于2015年發(fā)表文章列舉了一系列拱橋加強(qiáng)方法[5]，包括減小負(fù)載、增加抗彎抗剪構(gòu)件、局部加強(qiáng)、預(yù)應(yīng)力體系加固、外貼FRP加固材料以及拆除替換未達(dá)標(biāo)構(gòu)件法等。

1.2.2 拱橋抗震補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

國外早期建設(shè)拱橋并未將橋梁等建筑受地震的影響納入拱橋設(shè)計(jì)當(dāng)中，直到80、90年代美國和歐洲才將橋梁抗震寫入設(shè)計(jì)規(guī)范[6]。因此針對早期建設(shè)的拱橋進(jìn)行抗震補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)也被提上日程。針對拱橋抗震加固設(shè)計(jì)，國外使用的方法主要有加大橋墩截面并加入縱向鋼筋、對橋墩截面增加鋼護(hù)筒、局部構(gòu)件加強(qiáng)提高動(dòng)力影響下的力學(xué)行為以及加強(qiáng)基礎(chǔ)等。

1.3 國內(nèi)外拱橋加固技術(shù)的不足

文中提到的幾種加固技術(shù)均已積累了豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在拱上建筑加固技術(shù)中采用較為普遍的是增大截面、粘貼鋼板和灌漿技術(shù)等傳統(tǒng)方法，若采用的拱橋加固改造方案不合理，結(jié)構(gòu)受力非但不能起到加固效果，反而會出現(xiàn)一些負(fù)面效應(yīng)。比如采用灌漿技術(shù)加固對提高橋梁承載力極為有限。再如增大截面法缺點(diǎn)在于，粘貼材料與拱圈材料結(jié)合會產(chǎn)生拉壓應(yīng)力，影響加固性能。

2 拱橋結(jié)構(gòu)損傷成因及其影響

2.1 導(dǎo)致在役拱橋承載力不足的主要原因

通過對在役病害拱橋進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明，導(dǎo)致其承載潛力較為不足的主要原因可分為以下三類：一是活載“超載”，即橋梁設(shè)計(jì)荷載不能滿足橋上通行車輛的實(shí)際荷載，在目前的鋼筋混凝土危橋中這種“超載”較為普遍；二是恒載“超載”，這種情況主要是指既有道路改建過程中在橋梁上一次或多次直接加鋪半剛性基層與面層，引起的后期恒載“超載”，相比原設(shè)計(jì)，部分拱橋拱頂位置填料厚度多出近50cm，這種“超載”情況多存在于圬工或混凝土危舊拱橋中；三是上述兩種“超載”形式同時(shí)作用的情況。對拱橋采取加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先分析引起拱橋病害和承載潛力不足的原因，針對病害成因采取具體措施，徹底解決拱橋病害和承載潛力不足問題，恢復(fù)原有拱橋結(jié)構(gòu)的耐久性能[6-8]。

2.2 拱橋結(jié)構(gòu)損傷的不利影響

拱橋結(jié)構(gòu)損傷的不利影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是社會經(jīng)濟(jì)的影響。拱橋結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致橋梁承載力下降，不僅增加行車安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)影響到道路通行能力，尤其是如今交通量與日俱增，更是無法滿足暢通的要求；二是橋梁維護(hù)成本增加。首先拱橋的加固技術(shù)仍然不夠成熟，雖然加固方法多樣，但是加固效果不甚理想；其次是不同拱橋的損傷類型、損傷程度不同，需要有針對性地分析后才能“對癥下藥”，拿出最佳方案，但是往往問題的分析過程是最大的難點(diǎn)；三是加固成本偏高。為橋梁維護(hù)帶來較大的經(jīng)濟(jì)壓力。

3 提升結(jié)構(gòu)抗力的拱橋加固新方法

3.1 基本原理及組成

本文的研究目的在于提供一種通過結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)調(diào)節(jié)主拱圈內(nèi)力并提升結(jié)構(gòu)抗力的拱橋加固方法，有助于顯著增強(qiáng)主拱圈截面抗力，進(jìn)一步恢復(fù)并提高舊橋的承載能力。如圖1a)所示的是正常荷載情況下拱軸位移變形量；圖1b)所示的是長期運(yùn)營在交通量不斷增加的過程中即活載不斷增加時(shí)拱軸位移的情況，此時(shí)拱頂下緣與拱腳上緣產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致位移量較大，主拱圈會出現(xiàn)損壞情況；圖1c)所示的是通過本文提出的解決方法處理后，在不增加結(jié)構(gòu)荷載的同時(shí)增加了拱頂抗力，同時(shí)增加了拱腳的承載力，改善并一定程度上恢復(fù)了原結(jié)構(gòu)的位移變形，在控制住結(jié)構(gòu)繼續(xù)損壞的同時(shí)改善了結(jié)構(gòu)的整體受力情況，使橋梁能夠在較低修復(fù)資金投入的情況下繼續(xù)安全通車。

圖1 不同荷載情況下拱軸位移變形量

拱頂區(qū)域澆筑一定厚度普通混凝土在提高截面抗力的同時(shí)適當(dāng)增加截面高度；拱頂區(qū)域澆筑輕質(zhì)混凝土對原有拱頂填土進(jìn)行替換，從而從整體上改善拱橋受力環(huán)境。其優(yōu)勢在于，一是增加截面高度提高截面抗力，二是可以有效減輕拱頂荷載，對拱頂內(nèi)力進(jìn)行調(diào)節(jié)，三是相對采用普通混凝土，沒有增加額外荷載，有效控制了拱腳上緣負(fù)彎矩的增加。在幾乎不增加自重的情況下達(dá)到增加結(jié)構(gòu)整體高度，增加受壓區(qū)高度，從而解決拱頂上緣壓應(yīng)力超標(biāo)和拱腳上緣負(fù)彎矩超標(biāo)問題，還可以起到調(diào)節(jié)主拱圈內(nèi)力的作用；拱腳區(qū)域上緣增大截面區(qū)域有效地增加了截面高度和面積，極大增強(qiáng)了拱腳的抗力。拱腳區(qū)域下緣增大截面區(qū)域同樣是增加截面高度和面積，極大增強(qiáng)拱腳的抗壓能力。在增大拱腳截面面積的同時(shí)，拱腳自重也會相應(yīng)增加，能夠起到“壓拱”的作用，降低拱腳負(fù)彎矩的同時(shí)減小了拱頂部位的正彎矩；拱頂區(qū)域下緣加固層可以采用粘結(jié)抗拉強(qiáng)度較高的材料進(jìn)行加固處理，既可以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度的效果，又由于材料本身為輕質(zhì)材料的特性使增加的結(jié)構(gòu)自重可以忽略不計(jì)。

3.2 拱橋的加固流程

首先拱頂區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)鋼筋預(yù)埋并焊接在原有的拱頂上緣表面，鋼筋布置完成以后進(jìn)行拱頂區(qū)域普通混凝土澆筑工作，厚度控制在12cm左右；然后澆筑拱頂區(qū)域輕質(zhì)混凝土，保護(hù)層厚度要滿足相關(guān)規(guī)范要求。完成拱頂區(qū)域普通混凝土與輕質(zhì)混凝土的澆筑工作后再進(jìn)行橋面鋪裝施工（圖2—圖4）。

然后進(jìn)行拱腳區(qū)域上緣補(bǔ)強(qiáng)鋼筋焊接工作，補(bǔ)強(qiáng)鋼筋焊接在原有的拱腳上緣表面，厚度采用三角形漸變式，鋼筋布置完成后進(jìn)行拱腳區(qū)域上緣的混凝土澆筑工作，保護(hù)層厚度要滿足相關(guān)規(guī)范要求（如圖2、圖5）。

圖2 提升結(jié)構(gòu)抗力的拱橋加固結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 拱頂區(qū)域工字型換算主拱圈斷面結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 拱頂區(qū)域工字型換算主拱圈加固層布置圖

圖5 拱腳區(qū)域工字型換算主拱圈加固層布置圖

接著澆筑拱腳區(qū)域下緣混凝土，采用噴射混凝土或者現(xiàn)澆等方式均可，需完全包裹住拱腳區(qū)域下緣補(bǔ)強(qiáng)鋼筋等易腐蝕易生銹結(jié)構(gòu)；若采用噴錨混凝土，其水灰比應(yīng)為0.45，要保證混凝土向上噴射到指定的厚度，噴射時(shí)噴嘴與受噴面之間的距離控制在1m左右，其噴射效果最佳。

最后進(jìn)行拱頂區(qū)域下緣加固層的施工。拱頂區(qū)域下緣加固層采用高性能的碳纖維布結(jié)合與之配套的樹脂浸漬膠粘結(jié)于混凝土構(gòu)件的表面，其中碳纖維材料具有良好的抗拉強(qiáng)度，能夠有效提升構(gòu)件承載能力以及增強(qiáng)構(gòu)件的強(qiáng)度，或者采用貼鋼板的形式亦可。

3.3 技術(shù)特點(diǎn)分析

3.3.1 對拱頂?shù)奶幹?/p>

設(shè)拱頂為圖3中的工字型截面。

（1）在拱頂區(qū)域上緣替換掉原有填土，植筋、加厚受力結(jié)構(gòu)，主要為增加結(jié)構(gòu)整體高度，增加受壓區(qū)高度，從而解決拱頂上緣壓應(yīng)力超標(biāo)問題。

（2）在拱頂區(qū)域下緣（拱頂?shù)?/4跨徑附近，以實(shí)際計(jì)算為準(zhǔn)）利用碳纖維布處理，能夠有效增加結(jié)構(gòu)抗拉能力。以上處置有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是不增加恒載，不會對結(jié)構(gòu)造成額外負(fù)擔(dān)；二是徹底改善截面，大幅度增大拱頂抗力；采用碳纖維布處理，能夠有效增加拱圈截面的抗彎、拉的能力。

3.3.2 對拱腳的處理

1/4跨徑附近到拱腳，以實(shí)際計(jì)算為準(zhǔn)。

（1）在拱腳區(qū)域上緣加厚截面，增加截面高度，增大抗力。

（2）以彎矩零點(diǎn)為分界點(diǎn)，增大拱圈下緣截面，增大抗力。

以上處置的優(yōu)點(diǎn)是可以增加截面高度和面積，極大增強(qiáng)拱腳的抗力，在增大拱腳截面面積的同時(shí)，拱腳自重也會相應(yīng)增加，能夠起到一定的“壓拱”作用，減小了拱頂部位的正彎矩，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)拱軸壓力線的目的，提高了拱頂?shù)慕孛婵沽Α?/p>

4 工程應(yīng)用實(shí)例分析

4.1 水汶大橋概況

本文以207國道岑溪市水汶鎮(zhèn)內(nèi)水汶大橋?yàn)楣こ虒?shí)例（圖6），該橋由廣西壯族自治區(qū)林業(yè)局林業(yè)勘測設(shè)計(jì)隊(duì)設(shè)計(jì)，建于1977年[9]。

橋梁設(shè)計(jì)為3跨凈跨60m，凈矢高7.5m，拱軸系數(shù)m＝3.5的等截面懸鏈線空腹式雙曲拱。拱圈為5肋4波，重力式橋臺，沉井基礎(chǔ)重力式橋墩（圖7）。橋?qū)?.8m，橋面為凈7m+2×0.25m安全帶，舊橋設(shè)計(jì)荷載為汽-15，拖-80。該橋缺少竣工圖，設(shè)計(jì)資料顯示，前期設(shè)計(jì)階段采用6m鋼釬對橋位進(jìn)行地質(zhì)踏勘，確認(rèn)河床下4.5～5m處為黑砂巖，因此，橋梁墩、臺均以黑砂巖為持力層。由于該橋原有的設(shè)計(jì)荷載已經(jīng)不能滿足南渡至水汶二級公路荷載等級的要求，同時(shí)病害較多（圖8），因此需要對舊橋進(jìn)行加固處理，提升橋梁的承載能力，將橋梁承載能力提升至二級公路荷載等級的要求（汽-20、掛-100）。

圖6 水汶大橋加固前全景

圖7 水汶大橋橋型結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 水汶大橋加固前病害細(xì)部照片

4.2 實(shí)測拱軸線

采用全站儀對橋梁上、下游兩側(cè)拱肋下緣邊緣線坐標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測（圖9）。

測得橋梁主拱凈跨為60.16m，凈矢高為7.49m。將拱底邊緣線實(shí)測坐標(biāo)進(jìn)行24等分，并將各等分線處的凈高值進(jìn)行匯總，如表1所示。

圖9 現(xiàn)場測量照片

表1 水汶岸拱底24等分矢高表（單位：m）

表中統(tǒng)計(jì)的實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，在1/4跨處的拱軸線與原設(shè)計(jì)相比偏差值達(dá)16.8cm；橋梁凈跨徑實(shí)測值相比設(shè)計(jì)值（60.0m）增大了0.16m。

4.3 各施工階段主拱圈截面抗力驗(yàn)算結(jié)果

具體實(shí)施步驟按上述過程進(jìn)行，各施工階段主拱圈截面抗力驗(yàn)算結(jié)果見表2。

表2 各施工階段主拱圈截面抗力驗(yàn)算表

通過替換拱頂填料、增設(shè)加固層和增大拱腳截面處理（圖10）后顯示，與加固前相比，加固后主拱圈的恒載壓力線與拱軸線重合程度更明顯。由于受主拱圈矢跨比的影響，其恒載壓力線雖然沒有達(dá)到常規(guī)設(shè)計(jì)“五點(diǎn)重合”的要求，但是達(dá)到了“三點(diǎn)重合”（拱頂、1/4跨、3/4跨）的設(shè)計(jì)效果，改變了現(xiàn)有主拱圈受力形式，為進(jìn)一步提高橋梁的承載能力奠定了基礎(chǔ)。水汶大橋主拱結(jié)構(gòu)通過本文提供的方法有效改善了橋梁的受力特性，提高了舊橋的承載能力，延長了舊橋的使用年限，獲得了較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

圖10 水汶大橋加固過程及加固后細(xì)部照片

5 結(jié)語

針對主拱圈病害尚不明顯的圬工拱橋，應(yīng)盡量從克服其主要影響因素方面出發(fā)，從根本上解決問題，恢復(fù)因長期運(yùn)營過程中活載不斷增加導(dǎo)致拱軸線與壓力線出現(xiàn)的偏移，讓主拱圈在恒載作用下及恒載與主要活載的組合荷載下拱軸線與拱軸壓力線再次重合，從而有效解決拱橋主體結(jié)構(gòu)損傷問題，使加固后結(jié)構(gòu)的長期可靠性得到保證。這時(shí)采用本文設(shè)計(jì)的拱橋加固方法將避免不必要的材料和資金浪費(fèi)，避免消耗不必要的人力物力。

為驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)理念和裝置的合理有效性以及解決相應(yīng)的拱橋損傷病害，已經(jīng)將該技術(shù)應(yīng)用到位于207國道岑溪市水汶鎮(zhèn)水汶大橋的加固處理中。經(jīng)過本文介紹的方法處理后，大橋的損傷得以修復(fù)，大橋降低的承載力得以恢復(fù)并有所提高，加固效果較好，可供類似工程參考。