拱桥加固原理及方法的探讨分析

由于历史的原因，北京市郊区交通公路基础设施较为落后，公路等级较低。随着改革开放和社会经济的发展，以2008年奥运会为契机，北京市组织实施了郊区公路改造工程，全面提升路网水平，北京市的公路建设得到前所未有的发展。

随着公路的改建与大修，郊区公路上的桥梁的状况得到了明显的改善。但由于设计、施工等方面的原因，仍有一些桥梁在使用年限内就产生了病害，危及行车的安全畅通。而郊区的山区公路拱桥占有很大比例，针对我市桥梁病害的实际情况，我们组织设计术人员对北京郊区的危桥进行调研，发现在郊区的危桥中双曲拱桥占35%左右的比例，本文在准确分析病害产生原因的基础上提出了改造加固措施并予以实施。

二、拱桥病害情况及原因

针对北京郊区几座双曲拱桥调查，发现除了混凝土结构物共存的一些病害外，双曲拱桥普遍现状如下：

1.等级偏低，桥的强度、刚度、宽度不够，不能满足现在的交通要求。

2.拱肋出现裂缝。

主拱圈的裂缝可以分为纵向缝、径向缝两大类：

纵向缝是产生与拱肋和拱波的结合面上，平行于拱轴线方向的裂缝，其产生的原因主要是主拱圈整体性差和桥台水平位移较大所致。纵向缝分为法向拉力纵向缝和剪力纵向缝两种。法向拉力纵向缝多出现在拱顶附近正弯矩较大的区段，剪力纵向缝出现在拱角附近剪力较大的区段。

径向缝是垂直于拱轴线方向的裂缝，主要有拱肋径向缝和拱背径向缝两种，拱肋径向缝产生在拱顶附近正弯矩较大的区段，往往是由于桥台发生过大的水平位移，拱顶部位正弯矩大大增加，拱肋的拉应力超过极限拉应力所致，拱背径向缝多产生在拱角附近负弯矩大的区域，桥台发生过大的水平位移也常出现拱背径向缝。

3. 腹拱破坏。

在对郊区危改拱桥的调查中，发现几乎所有的拱桥腹拱都不同程度的被破坏，尤其在腹拱与横强交接的部位，常常破碎，这是因为腹拱圈预制分块太多以及勾缝水泥砂浆标号过低，致使其整体性差，在载荷反复作用下必然导致各腹孔产生不同程度的纵、横向裂缝。

4. 拱波破坏

旧桥的拱波大部分是预制弯板，板板之间只通过沙浆进行联系，由于联系薄弱容易形成单板受力，拱波容易被压坏而出现裂缝，随着裂缝的扩展拱波容易出现渗漏现象。

5. 横系梁破坏

由于横向联系薄弱，主拱圈容易出现偏载横系梁由于和主拱圈是刚结受力巨大，容易出现应力超限而被拉坏。

6. 桥面系病害：

造成桥面破碎的原因主要有两个方面，一是缺乏基层，拱桥上填料厚薄不一，对面层的刚性不一，沉陷不一，沙砾填料只能算桥面的垫层，具有足够的强度但是整体性能差，二是重车交通量增长，加剧了桥面的病害。

另外，材料性能不好，施工工序或施工加载不正确、气温条件的影响也是产生和加剧病害的主要原因。

三、加固原理

（一） 首先分析危旧双曲拱桥内力分析的特点：

危旧双曲拱桥内力分析和设计状态下的内力分析是有明显区别的。设计状态下，确定了跨度、矢高及拱轴系数后，只要带入相应的计算公式中就可以计算出拱圈主要截面的内力。危旧双曲拱桥，由于施工、损伤等原因，可能使主拱圈的拱轴线发生了较大的偏离，拱轴线不再是设计线形，而变为一条不规刻的曲线。这时如果还代入按设计线形推导出的内力计算肯定会使计算结果偏差太大。另外，双曲拱桥拱上建筑往往采用腹拱，腹拱拱脚存在较大的水平推力，其水平推力和主拱圈中的拉力形成一个力偏共同抵抗外力矩。所以拱上建筑采用腹拱的双曲拱桥的联合作用是较强的。然而，在传统拱桥的内力分析方法中，是把主拱圈的计算和拱上建筑的计算分解开来，假定全部外荷载由主拱圈承受，而拱上结构只是作为把荷载传递给主拱圈的局部受力构件，不与主拱圈共同作用。这样处理肯定使计算结果误差较大。所以危旧双曲拱桥的内力分析一般不适合采用传统的内力分析方法。针对危旧双曲拱桥内力分析的特点，用有限元法来分析其内力是可行的。全桥建立统一的有限元模型，采用适当的连结方式把拱上建筑和主拱圈联系在一起，模拟拱上建筑和主拱圈联合作用，对于既有双曲拱桥，可侧出实际拱轴线的位置，用实际拱轴线建立模型，大大提高了计算精度。

（二） 建立危旧双曲拱桥有限元分析模型的方法:

建立危旧双曲拱桥有限元分析模型主要应考虑以下几个方面:

①双曲拱桥的主拱圈变形较大时，建模应采用拱轴线的实侧坐标；

②考虑拱上建筑的联合作用；

双曲拱桥由于腹拱的存在，联合作用往往是较强的，所以，建模时应考虑腹拱的作用。实腹段以及腹拱上方的填料基本土不能承受弯矩，所以这部分可以简化为两端与桥面及主拱圈铰接的杆单元。拱上建筑中横墙一般具有较大的刚度，而且和主拱圈刚性连接，所以模型中横墙可以简化为和主拱圈刚性连接的梁单元；

③对于多孔双曲拱桥需考虑连拱作用的影响；

多孔双曲拱桥在荷载作用下，各拱墩结点会产生水平位移和转角。桥墩结点的水平位移和转角会引起拱圈内力的改变，这种作用称为连拱作用。当桥墩和主拱圈刚度比较小时，连拱作用是非常明显的。建模时多孔拱桥应该建立统一的模型，模型中也应该包括中间桥墩；

④如果主拱圈已局部开裂。则应按不同的情况分别考虑。开裂不严重，可按土拱圈刚度折减来计算;开裂严重，裂缝甚至已沿全截面贯通，则该截面已成为一个铰，结构体系就发生了根本改变，应重新建模。

四、常用加固方法

针对上述病害，目前常用的加固技术有：

（1）钢筋混凝土套箍封闭主拱圈加固技术：

拱肋加固应根据地形环境、地质水文、气象情况、施工质量、病害严重程度、调查检测结果、荷载试验、计算结果、桥梁重要性及社会影响等综合考虑，进行方案设计。

1.如果施工质量有问题，首先应该对拱肋进行修补。

2.如果拱肋只是局部强度不足，可局部粘贴钢板或碳纤维补强。

3. 如果拱肋病害是由于墩台变位引起的，则重点应加固墩台，让墩台复位稳定。例如可采用顶推拱座的办法复位基础水平变位。

4. 如果两拱肋在荷载作用下相对变形较大，横系梁较弱，则应加强横向联系，在拱肋、立柱、纵梁间增设横系梁，以加强横向整体性。

5. 对于特别重要的桥梁，例如一旦断道加固施工就会造成整条路线的交通中断，附近还没有绕行路线，社会影响较大，在设计加固方案时应考虑更为安全可靠、安全储备较大、经久耐用、一劳永逸的加固方案。此时可改变拱肋的结构形式，例如在中间加肋将肋拱变为板拱，或改变拱上构造将肋拱变为析架拱，或加拉索拉住拱肋将肋拱变为斜拉拱桥，或增加墩柱减小跨径等，必要时也可撤掉肋拱桥重新修建其它桥型。

为了提高原桥的受力整体性和承载力，增强结构的整体耐久性能，采用变截面钢筋混凝土套箍封闭主拱圈技术对主拱圈进行加固，即沿主拱圈外环现浇增设一层钢筋混凝土套箍层，利用截面增大、断裂力学及“套箍效应”三个机理，达到提高原桥承载力的目的，其工序如下：

主拱圈表面凿毛——安设主拱圈砂浆锚杆——主拱圈纵横钢筋就位——现浇钢筋混凝土套箍层——混凝土养生。为使主拱圈受力更为合理，钢筋混凝土套箍层沿纵向采用变截面的型式。

（2）立柱

一般立柱强度及稳定均不会有问题，如不足，可采用增加纵横系梁或环包碳纤维的方法处理。立柱端头局部混凝土压碎，可采用环裹钢筋网加大柱截面的方法处理。

（3）桥面板

1.部分换板

由于板的刚度不足，重新预制安装刚度和配筋均加强的板。

2改善胀缝状况

对桥面板的纵缝，要冲洗干净，风干后压人环氧树脂砂浆。

3改造板间铰缝

桥面板设计是按铰接板法计算内力，铰缝的浇注质量决定板间内力。

（4） 轻质拱上填料

对于旧桥更换拱上填料时尽量采用轻质的陶粒混凝土，并严格保证陶粒混凝土的密实度使得拱桥结构协同受力。

（5）改善排水

五、实例分析

孙湖沟桥位于怀柔区崎峰茶乡，是延琉路（K68+357）上的一座砼双曲拱桥。此桥始建于1970年，该桥全长48米，计算跨径30米，矢跨比1：9.93，1989年曾对该桥的上部进行过加固。由于该桥在使用过程中出现了拱肋破损，出现了漏筋现象，并且腹拱基座出现裂缝属于危改桥梁。我单位对孙湖沟拱桥的加固进行了详细的分析。

结合怀柔区延琉路孙湖沟拱桥危桥特征，建立有限元分析基本模型如图7所示。

经分析在施加公路I 级并且整体降温30度后,拱肋拉应力超限,即使拱肋加宽也达不到公路I级标准,于是我们提出了拆除重建的加固方案,新建整体式板拱.

其结构主要为:

①主拱圈采用现浇钢筋砼板拱.

②横墙为现浇钢筋砼实心墙。

③腹拱采用预制钢筋砼板拱。每孔腹拱横桥向有6块中块和2块边块组成。

④拱上填料为陶粒混凝土。填料层两侧为50厘米宽的砌石侧墙。

⑤填料层上为25厘米厚现浇钢筋砼桥面板，板上铺BCW-100防水层。桥面铺装采用AC-16C中粒式沥青砼，厚度为5厘米。

⑥拱座为重力式钢筋砼拱座。

通过Ansys有限元计算我们最终确定了拱桥的断面形式,以及结构的具体构造,有限元分析拱桥并作为辅助设计手段应该值得推广.