双曲拱桥维修加固方案研究及工程应用

■陈伟卿

(福建路发工程勘察设计有限公司，泉州 362000)

双曲拱桥是我国20世纪60、70年代常用的一种桥梁形式，在当时机具设备十分有限及钢筋混凝土材料匮乏的条件下，桥梁主体结构采用化整为零的方式修建，以较低的建造成本实现了交通条件的较大提升。但该类型结构整体性差，存在设计荷载标准偏低、钢筋用量少的缺点，随着交通量增加以及车辆载重的增大，绝大多数在役的双曲拱桥都出现不同程度的病害[1]。有些地区对双曲拱桥进行大面积拆除重建，虽然可以根本解决桥梁缺陷，但所需投资极大。国内多年桥梁维修改造数据表明，一般中小跨径桥梁的加固费用约为新建桥梁费用的10%～20%，其中双曲拱桥的加固费用约为新建桥梁费用的20%～30%[2]。因此，加速我国旧桥维修加固技术的研究及工程应用，不仅能够更好地为现代交通服务，而且也能带来可观的经济效益和社会效益。国内外学者对双曲拱桥维修加固方法进行了理论研究及工程实践。目前对桥梁加固的方法主要有增大截面法[3][4]、粘贴钢板法[5]、增加辅助构件法[6]、体外预应力法[5]、顶推法[7]等。 周志祥[8]针对大跨度双曲拱桥的病害特点，探索了同时采用增大主拱圈截面、增加横向联系和改变拱上建筑结构体系三种措施进行加固，成功运用于重庆市巫溪县110m跨的大宁河大桥上，取得了良好的社会经济效益。

1 桥梁维修加固设计目标及设计方法

1.1 维修加固设计目标

维修加固的目标是确保桥梁能够安全、正常的运营。对于结构承载力可以满足设计荷载等级要求的桥梁，主要是提高桥梁的耐久性和恢复良好的使用功能；对于结构承载力不满足设计荷载等级的桥梁，需按一定的要求进行结构补强加固以提高结构承载力，达到相应的设计荷载的要求。

1.2 维修加固设计原则

在进行加固设计方案比选时，需根据桥梁检测报告，对不同加固设计方案中的结构的力学行为进行对比仿真分析，预知加固行为影响及预期加固效果。针对桥梁病害总体情况及分析结果，确定以下总体维修加固原则：

（1）目的性原则。加固设计方案应针对不同桥型、不同病害对症下药，标本兼治。

（2）安全性原则。既要考虑各种病害导致结构承载力的降低，也要考虑加固措施及其施工过程对结构承载力的不利影响，特别注意应将对原结构的损伤减至最低程度。

（3）方便施工原则。加固方案的制订要充分考虑到当地施工条件和难度，方便施工。同时积极吸收、利用新技术、新材料和成熟经验；对加固处治后的结构要充分重视可检查性和可维护性。

（4）经济性原则。加固措施在满足功能要求的前提下，应兼顾经济性，避免不必要的浪费。

（5）动态设计原则。旧桥加固有别于新桥建设，适用边施工、边测试、边调整的动态设计。施工过程中不断完善施工工艺，并根据测试结果及时调整设计。

1.3 维修加固总体设计方案比选

如前所述，对原桥进行维修加固改造或拆除重建，两种方案具有一定的可比性。主要考虑两点：一是对桥梁适应性进行分析，如所处路线超载车辆多或宽路窄桥等适应性不足，宜首选拆除重建；二是对桥梁维修加固改造方式进行比选，如技术比选、造价比选等。技术比选主要关注原设计荷载等级是否满足现有交通需求，以此进行加固改造提高载荷标准与上部结构拆除重建或全桥拆除重建进行方案比较。两种方案比选优缺点如表1所示。

表1 桥梁总体设计方案比选表

从表1可以看出，桥梁维修加固改造方案比原桥拆除重建方案建安费节省很多，且存在工期短、加固效果可控等优点。在原桥主体结构良好的情况下应优先考虑维修加固。

2 桥梁维修加固应用实例

2.1 工程概况

车圩桥位于福建省漳州市云霄县下河乡，上跨车圩溪。桥梁始建于1976年，结构形式为单跨上承式无铰双曲拱桥，全桥长48m，净跨径为29.0m，矢高3.38m。上部结构由三肋两波组成，主拱肋为50cm×32cm截面的浆砌块石，拱波材料为浆砌块石。桥台为U型重力式桥台。跨中断面如图1所示。

图1 车圩桥跨中断面图

经现场勘查，主拱圈跨中部分下塌，略呈M型变形，拱顶最大下挠达3.5cm；主拱圈勾缝砂浆脱落13处，总面积占比约21%；拱肋间的横向联系薄弱，桥梁的整体工作性能差。通过检测结果及试验数据分析，按照《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）判定，该桥不满足汽-15级的正常使用极限状态要求，但作为拱桥承重结构的主拱圈基本处于正常状态，可采取维修加固措施以提高结构性能，节约重新建造成本。

2.2 主体结构加固方案比选

结合桥梁特点，拟采用增大截面法和粘贴钢板两种加固方式进行设计，因此主要对此两种加固方式进行方案比选，如表2所示。

表2 主体结构加固方案比选表

经综合比选，采用增大截面法对主拱肋及横系梁进行加固。

2.3 主体结构加固方案

由于原桥主拱圈各截面应力水平普遍偏高，设计提出将改变拱上建筑结构体系和局部加大主拱圈截面相结合的方法来进行加固。主要思路是减轻拱上建筑重量、增大拱顶区段主拱圈截面积，确保主拱圈工作的整体性能。

加固后的结构形式如图2，图中阴影填充部分为加固后新增结构部分。具体采取的加固措施有：

（1）减轻拱上建筑重量：不改变原桥拱上结构形式，将原实腹式拱桥拱上填料清除，换填轻质填料，达到减轻拱上建筑重量的目的。

（2）对主拱圈进行局部加强：设计中对主拱肋及横系梁采用增大截面加固方法，加固材料采用超高性能混凝土（UHPC）新型材料。在原桥石砌圬工拱肋增设适量的构造植筋，以达到既不对原拱肋造成过多损伤、又适当加强新旧材料结合的目的，确保新旧结构共同受力。另外，对横系梁同样采用增大截面法进行加固。

增大截面法常规的做法是在原拱肋或横系梁上植筋，支立模板，绑扎钢筋后浇筑钢筋混凝土套拱与原拱肋形成整体。新型材料UHPC混凝土抗压强度标准值一般高于120MPa，是桥梁所用传统混凝土的2～4倍；UHPC混凝土能够有效减小拱肋截面尺寸，可大幅减少混凝土结构自重，降低自重产生的弯矩。同时，具有良好的粘结强度，可大幅减少植筋数量，有效减少对原结构的破坏。

2.4 桥梁加固主要施工步骤

（1）桥台破损处加设钢筋混凝土圈梁对桥台进行加固；

（2）拆除上部附属构造及桥面板等以卸除拱肋所承受的部分上部荷载；

（3）按设计图纸植筋，采用增大截面法施工新拱座；

（4）修复主拱肋裂缝及钢筋露筋等病害；

（5）待新混凝土达到设计强度后，按照增大截面法采用UHPC混凝土加固主拱肋及横系梁；

（6）施工桥面系及附属设施。

图2 车圩桥维修加固方案

维修加固完成后检测结果显示，车圩桥主拱肋及横系梁采用UHPC混凝土加固后，桥梁承载能力达到0.8倍公路-Ⅱ级荷载要求，可以满足现有交通要求。

3 结论

桥梁类型存在多样性，桥梁维修加固要根据病害成因和类别以及造成桥梁性态下降的因素灵活地采取维修加固措施。在拟定维修加固设计方案时，应注意以下几点：

（1）通过正确认识桥梁在不同环境下的结构特性，准确识别结构中既有损伤，进而较为准确地定量桥梁的病害状况，合理进行维护决策和资源配置。

（2）桥梁加固方法较多，对不同加固设计方案中的结构的力学行为进行对比仿真分析，预知加固行为影响及预期加固效果，在实际工程应用中应该从技术性、经济性、耐久性、美观性及施工难度等方面综合考虑。

（3）增大截面法由于施工简便、加固效果明显，用于桥梁结构的加固其优点突出；拱桥主体结构以受压为主，加固设计采用了拱上建筑减载与主拱圈段截面加强相结合的加固方法，明显改善了主拱圈的受力状态；新型材料UHPC混凝土以其极高的抗压性能、自密实性、优异的耐久性能而特别适用于拱桥结构，但是其工作机理及工程应用研究在国内并不完善，有待进一步深入。