基于框架结构的双曲拱桥加固方法探讨

陈　松，陈金巧

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆　400067；2.重庆建工桥梁工程有限责任公司，重庆　400060)

基于框架结构的双曲拱桥加固方法探讨

陈松1，陈金巧2

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067；2.重庆建工桥梁工程有限责任公司，重庆400060)

陈松(1987—)，工学硕士，主要从事桥梁加固维护技术研究。

摘要：文章针对郭家沟双曲拱桥，对其病害状况和产生的原因进行了分析，并结合双曲拱桥受力特点，探讨了常规加固方案存在的不足，同时从改善主拱圈整体性出发，提出了一种新的加固措施——框架加固法，该法采用U型肋与横系梁形成的框架结构加固原桥拱肋，具有增加重量小、施工简便、受力明确等优点，可为同类工程参考。

关键词：双曲拱桥；病害分析；框架；加固

0引言

双曲拱桥由于结构轻巧、造型美观、施工机械化程度要求低、无支架施工等诸多优点，在20世纪60年代左右开始大量修建[1]。据不完全统计，全国共修建有大大小小4万座双曲拱桥[2]。随着经济的发展，交通量的日益增加，双曲拱桥已出现不同程度的病害，并且在自然环境下石料的风化导致其承载能力不断降低。这些因素已影响到正常的交通运营，甚至可能威胁交通安全。若简单地采取拆除重建的方式进行改造，不仅造成大量的资金、材料耗费，而且也将造成交通中断[3-4]。本文结合双曲拱桥自身优势、特点，探索一种合理、经济的加固方式提高双曲拱桥承载能力、刚度。

1工程概况

郭家沟桥位于奉节县渝巴路段上，中心桩号为K502+753，该桥于1971年建成通车，为单孔净跨径20 m的空腹式双曲拱桥，净矢高4.5 m，矢跨比为1/4.4，拱圈厚度为0.6 m，桥梁全长36 m，桥面宽度为6 m，混凝土路面，石砌重力式U型桥台；设计荷载为汽车-13级，拖-60级。桥型立面见图1。

图1　桥梁立面图

主拱圈采用双拱肋、单拱波形式，拱肋宽75 cm，高60 cm，拱波厚度为35 cm。腹孔净跨径2.2 m，墙式拱上立柱厚度为35 cm，截面布置图见图2。

图2　原桥截面布置图

2病害状况及成因分析

2.1　桥梁病害状况

根据现场踏勘及定期检测报告了解到，该桥的主要病害存在以下几个方面：

(1)主拱：拱顶位置，主拱肋料石存在少量横向裂缝，拱波普遍存在裂缝，并有渗水痕迹；整个主拱圈砌缝砂浆大量脱落，拱顶下挠；主拱底部石料风化现象较明显；原φ10横向连接钢筋已严重锈蚀。

(2)腹拱：多处腹拱圈拱顶存在大面积的渗水现象，侧墙局部外倾；拱圈砌石砂浆大量脱落，2#腹孔拱顶砌石脱落，3#腹孔拱顶存在明显下挠变形；拱圈石料存在部分风化现象。

(3)桥面系：桥面铺装部分开裂，两侧桥台位置顶部存在贯通的横向裂缝；防撞护栏存在松动现象，桥台两侧杂草丛生。

2.2　病害成因分析

由于该桥梁已运营使用逾四十余年，原设计汽车荷载已不满足现行交通要求，多年运营引起拱顶位置石料出现裂缝；原桥仅以钢筋作为横向联系体，其刚度较小，在荷载作用下横向分配作用能力弱，拱肋不均受力，导致拱肋-拱波间产生裂缝，加剧了拱波裂缝的产生；由于其施工过程采用“化整为零，集零为整”的方式，使得结构的整体刚度较差，引起拱顶局部下挠，且砌缝砂浆脱落，引起刚度较大退化，拱肋之间受力不均，以致产生裂缝。

腹拱渗水，多为桥面排水不畅，雨水经路面裂缝下渗，填料受雨水浸泡，体积膨胀，对侧墙造成挤压，致使其外倾。

结构受温差影响发生变形，导致桥台位置桥面长期处于拉-压交替作用；同时由于跨中下挠，使桥台位置路面受拉产生裂缝；桥台位置雨水下渗进入台后填料，而台后填料的膨胀变形反过来又会影响桥面铺装。

3常规加固方案

该桥所处位置地质良好，拱座位置地基承载力较高，由于横墙、腹拱为普通类型可按照常规拱桥加固设计，对于主拱，目前主要的加固方式包括以下几个：

3.1　增大截面加固方案

常规拱桥主拱圈加固主要采用增大截面加固法。通过在拱底部植筋浇筑20~30cm厚钢筋混凝土与原石拱圈形成复合受力体系。其特点：混凝土浇筑方量大，导致原石拱圈需承担较大部分的新增恒载[5]。新增混凝土主拱圈仅在活载下与原结构共同参与受力，因此其加固效率较低，往往用于小跨径石拱桥加固。

3.2　粘贴钢板方案

粘贴钢板的原理本质和增大截面加固法类似。虽然对于混凝土的收缩徐变、灌注混凝土施工带来的影响有所改善[6]，但是钢板与原石拱圈主要通过粘结胶及锚固螺栓共同参与受力，大量的锚栓桩孔也是对石材的削弱，且石材风化，不利于粘结胶发挥作用。

3.3　锚喷混凝土加固方案

主要是采用高压混泥土使钢筋网与石砌结构紧密结合，相比增大截面法，虽然减少了模板支架，但由于采用大量植筋对原主拱形成了次生伤害[7]，且混凝土的喷射质量较浇筑施工低，对结构的整体性改善不大。

上述几种主要的加固方法在板拱、肋拱桥的加固中运用较为广泛。对于双曲拱桥，拱波外形为弧面，若采用浇筑混凝土给拱圈底缘支模造成了困难，因此，需要寻找一种既能增加双曲拱桥整体刚度，提高承载能力，又能简化施工，降低工程成本的方法。

4框架加固措施及优点

针对本桥主拱圈为双曲板拱结构的特殊情况，考虑从改善结构整体性、提高截面承载能力、增强主拱耐久性三方面对结构进行加固补强设计，提出了框架式加固主拱肋的形式(见图3)。其横断面加固构造图见图4。

图3　框架加固方案图

图4　加固断面图

4.1　加固措施

(1)从减轻恒载增加量，改善整体性出发，提出拱肋外包U型钢筋混凝土增大拱肋受力面积，同时改善拱肋整体性；U型肋与原拱肋之间采用自密实微膨胀混凝土提高两者之间的粘结能力，避免收缩徐变引起的截面粘结裂缝，解决混凝土浇筑不易密实的问题。

(2)分别在拱顶、3/8、1/4、5/8、拱脚位置增设9道横向联系梁，形成框架结构，提高整体性能。通过利用复合主拱圈协调变形、共同承担荷载的原理，达到增大主拱圈刚度、强度，提高桥梁承载能力的目的。

(3)加固施工过程按照对称原则[9]，从拱脚向拱顶施工，横系梁处与U型肋钢筋之间绑扎连接，浇筑自密实微膨胀混凝土，待混凝土达到养护龄期后方可拆除支架[10]。

(4)对主拱圈的拱肋、拱波、横隔板及立柱裂缝采用环氧树脂进行灌注封闭，对砌缝脱落的采用环氧砂浆进行补缝。

(5)砌石脱落、破损的采用环氧混凝土进行修补。

4.2　技术优点

(1)框架加固法，以U型钢筋混凝土对原拱肋形成约束，提高拱肋承载能力，并以9道横向联系梁形成整体受力框架，改善整体受力性能。

(2)该法具有施工难度小的特点。常规混凝土浇筑，两侧拱肋可同时施工不受作业面影响，施工速度快；仅在主要截面采用联系梁加固，改善整体性的同时避免了沿桥全长加固的麻烦。

(3)经济适用，较增大截面的加固方法，本方法具有材料用料少，结构重量增加小，施工措施费用低的特点。

5结语

至20世纪六七十年代大规模修建双曲拱桥以来，其经多年运营，主要出现了结构整体性退化、拱波开裂、砌缝脱落等病害，寻找一种受力明确、经济适用的加固方法对恢复双曲拱桥使用性能有重要意义。

本文提出的框架加固法，具有施工难度小，工程造价低的优点。采用U型肋与横系梁形成的框架结构加固原桥拱肋，起到了提高桥梁整体性能的目的，增强了主拱圈的承载能力，较传统做法减少了加固重量，大大简化了施工，可为同类桥梁加固提供借鉴。

参考文献

[1]王达，王蒂，黄平明.增大整体刚度法加固双曲拱桥的力学特性[J].长安大学学报(自然科学版)，2008，28(2)：63-68.

[2]周志祥，贺鹏，赵灿晖.大跨度双曲拱桥维修加固研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2004，23(3)：1-4.

[3]徐兆明，周兴明.边山河大桥维修加固技术[J].中外公路，2007，27(3)：163-165.

[4]许汉铮.双曲拱桥病害分析与加固方法研究[J].公路，2014，8(8)：28-33.

[5]丁文胜.预应力钢拱加固双曲拱桥的设计分析[J].公路交通科技，2004.12：58-61.

[6]尹超.双曲拱桥加固设计分析[J]交通标准化，2010，5(220)：112-114.

[7]JTG/J22-2008，公路桥梁加固设计规范[S].

[8]李金枝.既有双曲拱桥承载能力的空间分析与评估[J].交通科技，2010(3)：7-9.

[9]JTGJ23-2008，公路桥梁加固施工技术规范[S].

[10]夏伟.双曲拱桥病害类型及加固方法研究[D].合肥：合肥工业大学，2006.

Discussions on Two-way Curved Arch Bridge Reinforcement Method Based on Frame Structure

CHEN Song1，CHEN Jin-qiao2

(1.China Merchants Chongqing Communications Technology Research and Design Institute Co.，Ltd.，Chongqing，400067；2.Chongqing Construction Engineering Bridge Engineering Co.，Ltd.，Chongqing，400060)

Abstract：Regarding Guojiagou two-way curved arch bridge，this article analyzed its disease condition and their cause，and combined with the stress characteristics of two-way curved arch bridge，it dis-cussed the deficiencies of conventional reinforcement schemes，while starting from improving the integ-rity of main arch ring，it proposed a new reinforcement measure-Frame Reinforcement Method，which uses the frame structure composed by U-shaped rib and transverse beam to reinforce the arch rib of original bridge，and it has the advantages of small increase in weight，simple construction，and clear force，thus it can be referred by similar projects.

Key Words：Two-way curved arch bridge；Disease analysis；Frameworks；Reinforcement

收稿日期：2015-02-06

文章编号：1673-4874(2015)02-0018-04

中图分类号：U455.7+2

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.02.005

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