空腹式等截面双曲拱旧桥桥梁安全分析与加固方法

张青松（安徽省水利部淮委水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000）

1 概述

双曲拱桥于1964年由江苏无锡建桥工人首创，主拱圈由拱肋、拱波、拱板和横向联系等部件组成，外形在纵横两个方向上均呈弧形曲线，且与主拱圈的曲线正交，称为双曲拱桥。它以施工方便、桥型优美、节约材料等优点曾被广泛修建，为我国的公路交通事业做出了巨大贡献。主拱圈的特点是先化整为零，再集零为整，施工时可以不要拱架、施工进度快、所用钢材不多。它充分利用了预制装配的优点，使得施工过程适应了无支架施工和无大型起吊机具的情况。为了加强主拱圈受力的整体性，在拱肋之间设置有横系梁。根据桥梁宽度的不同，双曲拱桥主拱圈横截面可以做成单波、双波、多波、悬半波和高低波。这种截面的截面抵抗矩比相同材料用量的板拱大，因而可以节省材料，且在施工等方面比板拱有较多的优越性[1]。

对于使用多年的双曲拱桥出现了许多的病害，诸如拱波纵向开裂、拱肋破坏露筋、拱上建筑开裂和横系梁破坏等。这些病害影响桥梁的承载能力，对交通安全构成威胁，甚至会引发桥梁坍塌的恶性事故发生。

本文以某水库溢洪道双曲拱桥为工程背景，对既有钢筋混凝土双曲拱桥的病害及病害产生原因进行了分析，采用有限元软件MIDAS对桥梁结构的承载能力进行复核计算，并对维修加固措施进行了探讨。

2 双曲拱桥主要病害及成因

1）主拱肋为钢筋混凝土结构，除少数部位存在钢筋锈胀、混凝土剥落、钢筋外露锈蚀外，主拱肋基本完好，无明显开裂等现象。病害原因是拱肋截面配筋偏少，混凝土标号不高，拱肋的承载能力和抗开裂能力不高；且荷载横向分布较差导致拱肋受力的不均匀，使个别拱肋受力过大；拱肋破坏后钢筋锈蚀，锈胀的钢筋又使混凝土沿着裂缝继续开裂，造成恶性循环；桥墩承台基础下沉及倾斜造成拱轴线偏离，拱肋受力发生变化。

2）拱波存在纵向开裂现象，裂缝较多，但缝宽较小，病害产生的主因是拱波太薄，钢筋保护层不足，拱波配筋很少，钢筋网钢筋间距太大，由于横向联系较弱使得整体刚度不强，荷载横向分布较差，造成变形不协调，使拱波的受力变得复杂，加速了拱波裂缝的产生。

3）拱上建筑开裂，拱上建筑受力相对复杂[1]。桥梁荷载通过拱上建筑向下传递到主拱圈，在拱墙与主拱圈连接处未设置“铰”而约束了拱墙的变形，这种变形对腹拱来说相当于施加了墩台位移；混凝土的碳化与钢筋锈蚀现象产生；从结构角度看，双曲拱桥的腹拱是一组小跨的连拱，单片腹拱的变形可影响到相连的腹拱。

4）横系梁破坏，双曲拱桥的横系梁在设计时就存在问题，在设计时横系梁的截面尺寸能够满足横向联系的要求，但在使用过程中却达不到预期的效果，说明横系梁的设计和计算存在着不足。

5）桥墩(台)开裂、混凝土剥落、钢筋外露；基础局部冲空，翼墙、耳墙破坏，锥坡、护坡破坏等[2]。

桥墩身混凝土常干湿交替变化，碳化速度大，墩钢筋锈胀现象普遍，造成墩表面较常见的混凝土剥落现象，混凝土耐久性遭到破坏；基础底部冲刷一般是由于基底围护缺失引起的，且水流速较快，冲刷形成孔洞；翼墙、耳墙破坏，锥坡、护坡的破坏等病害多为施工质量较差，后期缺乏养护等因素引起。

3 桥梁承载能力复核计算

3.1 工程概况

该溢洪道桥建于上世纪七十年代，为等截面悬链线空腹式悬链线双曲拱桥，全桥为5孔双曲拱桥，每孔净跨径为25.0m；桥面宽为5.5m，设计荷载为汽车-10级。主拱矢跨比为1/8，拱轴系数为m=2.814；主拱圈的截面尺寸见图1。拱肋混凝土标号为C25，拱板和拱波混凝土标号为C20。拱上建筑采用跨径为2.4m的空腹拱及浆砌石立墙，腹拱矢跨比1/6，混凝土标号为C15。该桥处于水库溢洪道上，下部结构采用重力墩台。

3.2 计算建模

拱桥为多次超静定结构，双曲拱桥拱上建筑结构在一定程度上要参与拱圈受力，拱上建筑的联合作用受腹拱的矢跨比、拱圈与腹拱的相对刚度、拱圈与立柱的相对刚度、主拱的矢跨比、拱圈截面纵桥向的位置等因素的影响。为客观评定其实际承载能力，合理计算拱上建筑的联合作用，利用1MIDAS有限元分析软件，采用梁格法建立双曲拱桥的空间计算模型[3][4]。

1）主拱圈、腹拱圈、立柱、墩台容重:25kN/m3。拱上填料容重:19kN/m3。拱顶填料总厚为500mm(未包括桥面铺装)，在主拱圈计算时, 考虑冲击系数及汽车荷载横向分布问题。 桥面铺装混凝土容重:25kN/m3，铺装层平均厚为150mm。车道荷载：公路－II级。人群荷载：人群荷载标准值取3.0KN/m2。

2）应用MIDAS有限元分析软件，采用梁格法，在弹性理论范围内，建立双曲拱桥空间模型。主拱圈用3根纵向曲梁来模拟；3根纵向曲梁间以横梁连接，横梁的横向抗弯刚度和抗扭刚度根据拱板、拱波和横系梁的横向抗弯刚度和抗扭刚度确定；拱圈上部建筑为砌体结构，为简化计算采用释放端部约束的杆件进行模拟，侧墙、实腹段填料及桥面铺装厚度仅作为附加恒载计入。拱脚按固结边界条件考虑，故可按固定铰拱计算[5]，主拱圈断面0.3m×0.3m计算模型见图1。

图1 主拱圈纵向梁格划分示意图

3.3 计算结果

通过有限元模型内力计算及承载力验算:桥梁在恒载和活载作用下，拱圈以拱脚截面受力最大,弯矩为431KNm，轴力为2417KN。按照此弯矩和轴力进行配筋计算，经计算截面相对界限受压区计算高度ξb＝0.544，截面受压区高度ξ＝0.728，ξb＜ξ，拱肋属超筋破坏类型，拱肋截面尺寸明显不足，因此主拱肋不满足桥面安全使用承载力要求。

4 维修加固措施研究

由于钢筋混凝土双曲拱桥的病害较多，对不同的结构构件采用不同的加固方法，主要修复各个损伤构件，加固后维持原状，避免对原有结构的损伤。

1）拱肋（主拱圈）

拱肋作为双曲拱桥的主要受力构件，关系着整个桥梁的安全运营和承载能力。桥梁承载能力适用的可采用环氧砂浆喷浆阻断混凝土碳化进程，对于承载力不足的桥梁建议采用粘贴钢板方法：采用环氧树脂系列粘结剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉缘或薄弱部位，使之与原结构物形成整体共同受力，以提高其刚度，改善原结构的钢筋及混凝土的应力状态，限制裂缝的进一步发展，从而达到加固补强、提高桥梁承载能力，该方法具有施工简便、粘钢所占空间小、施工周期短等优点[6]。

2）拱波的维修加固

对于拱波上的纵向裂缝先采用注胶法对裂缝进行修补，再用粘贴碳纤维布进行补强。施工过程要严格按照施工工艺进行，注完胶后按要求进行养护；碳纤维布粘贴施工时，粘贴过程要严格按照施工工艺的要求进行，以保证碳纤维布的加固效果。

3）拱上建筑的维修加固

采用挂网喷浆方法，凿除腹拱圈、拱墙和横隔墙的混凝土保护层，露出主筋，然后在各个部位种植锚固筋，并将钢筋网与锚固筋焊接，最后清除混凝土表面残留物，喷射混凝土保护层。

4）横系梁的维修加固

采用增大截面法提高桥梁的整体刚度，新增加的横系梁设置在原有横系梁的中间，原有横系梁内部钢筋进行补焊，并将截面增加到与拱肋截面同高。

5 结论

目前，数量众多的钢筋混凝土双曲拱桥仍在服役，其中的多数都存在不同程度的病害，给桥梁的安全性、耐久性和可靠性带来了不利影响。正确的对桥梁进行检查分析和总结双曲拱桥的病害及其成因，有利于有针对性的对病害桥梁进行维修加固，对于保障交通安全有着重要意义，本文通过实例对桥梁进行检查、复核计算，并探讨了维修加固措施，希望对同类型的双曲拱桥的病害处理有一定的参考价值。

[1]宋俊杰,刘湘江,杨真春，拱上建筑加载顺序对主拱圈的影响[J] 山东交通学院学报 2003.02.35~37。

[2]王灿,朱新实.双曲拱桥病害原因分析及处治对策的研究[J].公路.2002 (11):74-76.

[3]公路双曲拱桥上部构造设计计算 人民交通出版社（交通部科学研究院等）

[4]杨志华，梁格法在混凝土连续箱梁桥计算中的应用[J] 中国水运（理论版） 2006.5（4）.69～70.

[5]黄侨，葛占钊，林阳子，梁格法在双曲拱桥承载能力评估中的应用[J] 中外公路，2007.12（27），89～92.

[6]中华人民共和国交通部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004).2004.