框架式肋板复合结构加固圬工拱桥方法初步研究

徐国锋

摘要：框架式肋板复合结构加固圬工拱桥方法是在不破坏原有板拱结构的基础上，通过在拱腹增加纵向拱肋和横隔梁，形成纵肋和横隔梁组成的框架式复合结构来共同受力；可依据拱桥宽度的实际情况，增加或减少纵向拱肋并通过桥墩、台传递至原有基础，从而充分利用原桥并发挥旧桥的潜在承载力，提高结构的整体承载能力和整体刚度。

Abstract： The method of strengthening the masonry arch bridge with frame-type ribbed composite structure is to form frame-type composite structure of longitudinal rib and the transverse beam through adding the longitudinal rib and the transverse beam in the arch on the basis of not destroying the original arch structure. It can increase or decrease the longitudinal arch ribs and pass through the pier and table to the original foundation based on the actual situation of the arch bridge width， so as to make full use of the original bridge， play the potential capacity of the old bridge and improve the bearing capacity and overall stiffness of the overall structure.

关键词：框架式肋板复合结构；拱肋；横隔梁；仿真分析：承载能力；刚度

Key words： frame-type ribbed composite structure； arch rib； transverse beam； simulation analysis： bearing capacity； stiffness

中图分类号：U445.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）18-0124-02

0 引言

在以往桥梁检测过程中，发现圬工拱桥主拱圈拱腹存在不同程度的纵桥向及横桥向裂缝，初步分析成因主要为结构在偏心力作用下不同位置截面上缘或下缘会产生拉应力，而圬工结构抗拉能力较低所致。

1 圬工拱桥病害成因分析

圬工拱桥拱腹存在不同程度的纵桥向及横桥向裂缝，主拱圈砌缝砂浆脱落、砌石局部缺失等病害成因主要包含以下几方面：

①横向裂缝的产生：在圬工拱桥砌筑过程中，拱轴线的设计可避免自重产生的偏心力矩，但汽车及温度等荷载作用下，偏心力在不同位置截面上缘或下缘会产生拉应力，而圬工结构抗拉能力较低，导致圬工拱桥横向裂缝的出现。②纵向裂缝的产生：圬工拱桥连接主要依靠砌缝砂浆或砌石之间设置齿缝连接，当运营时间较长时，随着砌缝砂浆强度降低及齿缝之间的松动会导致横向连接刚度减弱，在汽车偏载作用下导致纵向开裂，同时桥面渗水冻胀开裂也是其中一个原因。③砌缝砂浆脱落、砌石缺失：由于圬工拱桥建设年代较早，桥面防水设置不完善，导致主拱圈受水侵蚀，砂浆强度降低后松散、砌石局部脱落缺失。

2 框架式肋板复合结构加固圬工拱桥方法仿真分析

圬工拱桥建设年代较早，但其良好的结构受力模式使其承载能力潜力较大，加固利用的性价比较高，目前有关圬工拱桥采用增大截面法及锚喷法加固后组合截面承载力的计算方法，具有一定局限性，有待进一步补充完善。在圬工拱桥加固方法的不断摸索中，在对圬工拱桥进行结构仿真分析后提出了框架式肋板复合结构加固圬工拱桥方法，即在圬工拱桥拱腹随拱轴线型增加纵桥向钢筋砼拱肋及多道横隔梁，通过圬工砌体良好的受压能力及钢筋砼结构良好的受拉能力以满足当前荷载标准要求。

2.1 仿真模型的建立

①本次仿真模型采用工程实例进行分析，前长皋桥位于辽宁省朝阳市，全桥共计3孔，单孔净跨径为25m，上部结构为空腹式等截面悬链线石板拱桥，主拱圈厚度为70cm，矢跨比为1/4，拱轴系数m=2.814，建成于1980年。②分析采用midas/Civil 2015有限元程序中的实体单元进行，全桥共计8.2万个单元。考虑圬工拱桥运营36年，加固后拱脚拱腹处按固结模拟，拱背加厚处按铰接模拟，主拱圈中孔拱脚处考虑其相邻拱圈传递的水平变位影响。③施工阶段模拟为10个施工阶段，即从扩大基础的砌筑到桥面系等二期荷载的施加，最后考虑10年的收缩徐变影响。④加固后采用现行公路桥梁汽车荷载等级公路-Ⅰ级，整体升温按19度考虑，整体降温按20度考虑；拱顶截面计入汽车冲击系数；拱脚截面计算不计入汽车冲击系数。（图1）

2.2 仿真计算结果分析

2.2.1 施工恒荷载作用结果 在施工恒荷载作用下，拱腹新增钢筋砼拱肋（黄色区域）均为受拉区域，原主拱圈砌体（蓝色区域）均为受压区域，计算分析结果表明施工恒荷载考虑收缩徐变影响后原主拱圈砌体最大平均壓应力为1.2MPa，下缘新增钢筋砼拱肋最大平均拉应力为2.6MPa。（图2）

2.2.2 汽车荷载作用结果 在汽车荷载作用下，拱腹新增钢筋砼拱肋（红、黄色区域）局部范围为受拉区域，原主拱圈砌体（蓝、绿色区域）均为受压区域，计算分析结果表明汽车荷载作用下原主拱圈砌体最大平均压应力为0.9MPa，下缘新增钢筋砼拱肋最大平均拉应力为1.7MPa。（图3）

2.2.3 从以上计算数据可以看出，该桥加固完成投入运营后，考虑温度作用效应进行组合后原结构主拱圈上缘压应力为3.1MPa，下缘钢筋砼拱肋拉应力为5.9MPa，加固后的复合截面新、旧结构均能满足规范要求，以上计算仅取拱顶截面进行分析，其余截面经验算均满足规范要求，证明本文中的方法可行。

3 结束语

采用本方法实际加固圬工拱桥过程中，需保证新增钢筋砼拱肋及横隔梁与原圬工拱桥主拱圈结合面有效连接，保证二次受力时新增结构与原结构共同受力，协调变形，本加固方法经工程实例验证后，目前运营良好，为圬工拱桥加固利用提供了一种新的思路。

参考文献：

[1]桥梁设计与计算[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]公路桥涵设计手册（拱桥）[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3]旧桥维修加固施工方法与实例[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4]基于应变斜面斜率的圬工拱桥加固后组合截面承载力计算方法[M].北京：中国科学技术协会，2016.