双曲拱桥典型病害机理及加固方法研究

广西壮族自治区蒙山公路管理局 广西梧州 546700

摘要：双曲拱桥是二十世纪六七十年代较为流行的桥型，对当时的交通发展起到了良好的推动作用。但该类拱桥结构整体性差以及当时设计手段的局限性，随着交通量以及重载车辆的增长，部分此类桥梁结构存在不同程度的病害，本文针对双曲拱桥的结构特点，结合具体工程实例，对其典型病害的产生机理进行了分析，并在此基础上提出了相应的加固方法。

关键词：双曲拱桥；病害机理；承载能力；加固方法

1 工程概况

本桥位于国道321线，为加宽桥梁，旧桥部分为双曲拱桥，加宽部分为钢筋混凝土简支板梁结构。旧桥部分全长64米，跨径布置为3×15.6m，全宽7m，建成于1975年4月，设计荷载等级为汽车-15级、挂车-80级，跨径布置如图1所示。

图1 旧桥跨径布置示意图（单位：cm）

2 病害情况及成因分析

2.1 典型病害

根据本桥的病害检测结果，目前本桥上部主要承重结构存在以下几方面的病害：

1）1-3#跨1#腹拱顶部各存在1处横桥向开裂，裂缝长度介于1.2-4.6m之间，裂缝宽度最大处约为1mm，如图2所示。

图2 腹拱顶部横向开裂

2）第1跨的1-2#拱肋、第1-3跨的2-3#拱肋和3-4#拱肋之间拱波均存在沿拱轴线方向的裂缝，其中4条通长贯穿全跨，并且伴有白析现象，最大裂缝宽度约为0.3mm，如图3所示。

照片3 拱波裂缝

3）第1-3跨各条拱肋L/4-3L/4区域内均存在U型贯通裂缝，裂缝间距介于25-40cm之间，裂缝宽度均小于0.2mm，全桥共发现此种裂缝254条，如图4所示。

图4 拱腹表面横桥向裂缝

4）拱肋横系梁上存在竖向裂缝，个别裂缝为贯通的U型裂缝。其中第1跨2-3#拱肋间2#横系梁存在3条竖向贯通U型裂缝；第1跨3-4#拱肋间2#横系梁上存在2条竖向贯通U型裂缝；第2跨2-3#拱肋间2#横系梁存在4条竖向裂缝，并延伸至贯通底面；第2跨2-3#拱肋间1#横系梁中部存在1条竖向裂缝，此类裂缝宽度均小于0.2mm，如图5所示。

图5 拱肋系梁竖向裂缝

2.2 病害成因分析

1）双曲拱桥结构主拱圈部分作为装配式结构其整体性较差。本桥建成于1975年4月，此时期建造的此类结构在设计和施工不重视横向联系的构造，造成作为双曲拱桥横向联系的横系梁和拱波发生开裂现象。在横向联系被削弱后，主拱肋在活载作用下的横向分布系数发生改变，个别拱肋承载能力不满足要求，主拱肋产生结构性受力裂缝。

2）主拱圈截面不足。由于其建设年代的关系在设计时过于强调经济性，造成此类结构在设计时过于精巧，主拱圈截面偏小，造成其承载能力不能适应目前的交通量。

3）设计理论的局限性。在此类双曲拱桥设计时，多将主拱圈作为组合结构考虑，忽略了在实际施工过程中拱肋作为拱波、拱板的施工模板而引起的应力路径问题，致使拱肋由于应力过大造成其开裂现象。

4）施工问题。在施工过程中过分强调施工速度，在拱波安装过程中，拱脚处未固结时即铺设上部填料，造成拱波产生施工阶段裂缝。

3 主要加固方式

针对双曲拱桥典型病害的主要产生机理，目前双曲拱桥的加固方式主要有以下几种：

1）针对主拱圈构件的加固。

针对双曲拱桥的整体性较差、承载能力较低的特点，目前主要采用增强主拱肋、拱波以及横系梁截面的方式进行加固，具体如下：

（1）由于双曲拱桥在其设计建造期间，其所承担的交通量较小，主拱肋截面在设计时截面高度和宽度不足，导致截面的刚度和强度不能满足现有荷载量的要求，目前一般采取喷锚混凝土加大截面、粘贴钢板的方式提高其强度和刚度的方式进行补强。此类方法可以较为有效地增加主拱肋截面的强度，但是在加固过程中可能会对原结构造成一定的破坏。

（2）双曲拱桥作为装配式结构，其自身存在整体性不强的缺陷，在设计时由于当时建设条件的局限，作为双曲拱桥横向联系的拱肋间横系梁和拱波一般截面尺寸较小，在活载作用下发生破坏，横向联系破坏后进一步削弱了此类结构的横向联系，造成各个拱肋见横向分配系数的不均匀性，因此在加固时针对横向联系的补强对改善结构受力性能有着非常重要的意义。

此类方法可以较为有效地增加主拱肋以及横向联系的强度和刚度，但是在加固过程中可能会对原结构造成一定的破坏，此外增大截面会使主拱圈拱轴线偏离设计值，改变其恒载作用下的内力，应予以重视。此类加固方法如图6、7所示。

图6 某双曲拱桥加固前主拱截面形式及尺寸（单位：cm）

图7 某双曲拱桥加固后主拱截面形式及尺寸（单位：cm）

2）针对拱上填料的换填。

（1）对拱上填料进行换填处理，采用合理的拱上填料可以有效的改善双曲拱桥主拱圈在活载作用下的横向分布系数，使各拱肋在活载作用下均匀受力，达到改善主拱肋整体受力性能的目的。

（2）由于双曲拱桥一般建设年代较早，其上桥面系在线路时的加铺或挖出将会造成恒载的增大或减小，造成主拱圈压力线与拱轴线的偏离，造成主拱肋在恒载作用下即存在较大的弯矩，更换拱上填料可以在保证现有桥面标高的前提下，有效的改善主拱圈的受力性能，降低其恒载内力。

采用此类方法进行加固前，应根据实测主拱圈几何参数，进行计算分析，使换填后的主拱圈恒载压力线与拱轴线尽量重合。

3）更改结构形式

在双曲拱桥加固时，也可采用在拱波内填实混凝土等方式，将双曲拱桥改变为板拱等其他结构形式，从根本上解决其整体性较差的缺陷。但此类方法一般会提高加固成本，且新加截面多位于原主拱圈截面形心轴附近，对提高其承载能力帮助不大。

4 结语

以上介绍了双曲拱桥的主要病害形式、产生机理及相应的加固方式，在针对双曲拱桥维修加固的工程实践中，应综合考虑现有结构具体的结构型式、病害机理、现有荷载等级等方面的因素后，采取适当、有效地方法对现有结构进行加固。

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作者简介：

*蒙丽华（1975），女，广西人，工程师，主要从事公路养护桥梁管理、公路养护工程建设、公路养护管理（E-mail：lcjmlh@126.com）；