浅析双曲拱桥主拱圈的维修加固

2019-01-23白海强

智能城市 2019年2期

白海强

（中国城市建设研究院有限公司，陕西西安 710000）

双曲拱桥始创于1964年，是一种新型拱桥。它是由拱肋、拱波、拱板和横向联系构件几个部分组成，外形在纵横两个方向均成弧形曲线，因此称为双曲拱。它充分发挥了预制装配的优点，可以不要施工拱架，将主拱圈以“化整为零”的方法按先后顺序进行施工，再以“集零为整”的方式组合成承重的整体结构。施工进度快并且节省材料、造价低、结构轻巧及造型美观。

但是，有相当一部早期修建的双曲拱桥，由于受到当时条件的限制，在结构上不够完善，设计技术等级偏低，理论研究不充分以及施工质量不佳等原因，特别是当时片面地强调大跨径、节省材料等因素，使很多双曲拱桥存在不同程度的病害。因此，对双曲拱桥进行技术改造是当前我国公路桥梁建设中迫切需要面对的问题。

1 双曲拱桥主拱圈的各种病害及加固方法

双曲拱桥主拱圈的常见病害主要有以下几个方面。

1.1 地基承载力不足引起的病害

由于在恒载和上部活载的共同作用下，主拱圈的拱脚将产生较大的水平推力，水平推力将通过桥台传向地基。而对于修建在软土地基上或基底处理不当的双曲拱桥，由于地基承载力的不足，地基土不能对拱脚提供有效的横向约束，可能导致地基土在拱脚水平推力的作用下发生变形，向外侧偏移，桥台由于失去约束作用也会随着地基土向外侧偏移，导致拱顶向下挠曲，主拱圈矢高降低，跨径变大，因而拱轴线与压力线发生较大偏离，对桥梁的整体受力极为不利。这时在上部恒载以及活载的共同作用下，在拱顶区段，正弯矩较大幅度增加，产生由下向上延伸的径向裂缝，而在拱脚附近，负弯矩同样较大幅度增加，产生又外侧向内侧延伸的径向裂缝。

拱脚附近的径向裂缝一般发生在拱脚附近拱肋的侧面上，裂缝由拱肋的外侧向内侧延伸。当双曲拱桥不设锚入拱座的拱背钢筋时，这类裂缝一般发生在拱肋与拱脚的交接处，裂缝数量较少，宽度较大；当设置锚入拱座的拱背钢筋时，裂缝一般将会发生在拱脚截面附近，裂缝数量相对较多。

加固方法：用顶推法消除桥台位移并进行地基加固。

当双曲拱桥所处地段的地基承载力不足，桥台在水平推力的作用下向外侧发生偏移时，可以采用顶推法来消除桥台位移所引起的病害，然后再对地基进行加固处理。顶推法的基本做法是在两端桥台的拱脚处安装千斤顶，将拱肋自拱脚向跨中方向顶推。顶推时在拱脚处设置牛腿夹具，采用高强螺栓将钢制牛腿夹具夹紧在拱脚侧面，依靠夹具和拱肋表面的摩阻力传递置于桥台拱脚处千斤顶的顶推力。顶推时千斤顶顺拱脚轴线方向放置并施力，使拱脚产生水平位移并有相应的抬高，待两端桥台恢复到原先的位置后，用快硬水泥将拱座处形成的空缝填充。这样一来，拱轴线经过调整后与压力线再次接近，为了防止由于地基土软弱而引起桥台的再次偏移，可以采用挤密、振密等方法对地基进行加固处理，以从根本上改善桥梁的受力情况。

1.2 拱肋承载力不足引起的病害

拱肋是主拱圈最重要的组成部分，直接承受着上部活载以及全桥恒载的作用。当拱肋的截面尺寸不足或材料强度不足时，拱肋截面的抗弯惯矩将偏小，因此，无法抵抗全桥恒载以及上部活载所产生的弯矩作用，这样，主拱圈的拱顶附近在正弯矩的作用下会产生由下向上延伸的径向裂缝。这种裂缝一般分布在拱肋的侧面顶上，裂缝宽度由下向上逐渐减小。当荷载弯矩相对主拱圈截面的抵抗弯矩不大时，裂缝分布在拱顶附近2～3 m的范围内，宽度一般为0.1 mm左右，延伸长度约为0.2～0.3 m；当荷载弯矩相对主拱圈抵抗弯矩较大时，裂缝分布范围可达1/4～3/4 m，裂缝宽度可达0.5 mm以上，延伸长度约为0.2～0.3 m。而主拱圈的拱脚附近在负弯矩的作用下会产生由外侧向内侧延伸的径向裂缝。这种裂缝一般发生在拱脚附近拱肋的侧面上，裂缝宽度由外向内逐渐减小。当双曲拱桥不设锚入拱座的拱背钢筋时，这类裂缝一般发生在拱肋与拱脚的交接处，裂缝数量较少，宽度较大。当设置锚入拱座的拱背钢筋时，裂缝一般将会发生在拱脚截面附近，裂缝数量相对较多。

加固方法：用环氧砂浆粘贴钢板钢筋、用外包混凝土加大拱肋截面或增加拱肋数量。

1.3 拱肋间横向联系刚度不足引起的病害

当双曲拱桥的横向联系薄弱时，主拱圈横向整体性与抗扭刚度将会大大降低，使得各个拱肋和拱波之间的荷载分布不均匀，以致部分拱肋和拱波受力过大，而其余的拱肋与拱波所分担的活载比重过小，所以主拱圈的横向整体性显得尤为重要。为了保证主拱圈的横向联系刚度，通常需要跨间设置横系梁、横隔板等。然而，在过去设计桥中，刚度小会导致拱圈受力不均，不但会在拱顶和拱脚的位置经常出现径向裂缝，而且在拱波顶也常出现纵向裂缝，拱波顶的纵向裂缝位于拱波顶底面，裂缝沿拱波顶纵向延伸，在桥宽方向上往往有数条。裂缝宽度一般较大，通常在0.2～0.3 mm左右。

加固方法：加强横向联系。

为保证双曲拱桥各个拱肋与拱波之间共同作用，均匀受力，加强横向联系的方法一般可采用以下几种：

（1）当原横系梁截面尺寸偏小，刚度不足时，可在原横梁下缘设置沿桥宽通长的钢筋，再采用喷射混凝土的方法增大横系梁截面，从而增大了系梁的整体刚度。

（2）在原横系梁基础上设置通长钢筋，再将横系梁增高至与拱波相连接，使之成为贯穿全桥横向的横隔板。

（3）对于原来设置套管拉杆横向联系的双曲拱桥，其套管只能起横向拉结作用，而对肋波的抗扭刚度作用不大。加固时可拆除原套管改为横隔板，也可沿拱圈增加新的横系梁或横隔板。

1.4 拱肋与拱波间未设锚固钢筋或拱波座浆不良引起的病害

当拱肋与拱波之间未设锚固钢筋或锚固钢筋数量较少时，拱肋与拱波结合面的剪力和拉力会在桥台水平位移或基础变位的情况下大大增加，因而拱肋与拱波之间的施工工作缝会因拉力和剪力的增加而沿着拱波顶环形发展，从而形成环形裂缝。当拱波座浆不良或拱波脚斜面角度过大时，会引起拱波受力不合理。当砌筑砂浆质量差、含水量大时，会引起拱波的失水干缩，这些因素往往也会导致拱波顶出现这种环形裂缝。这类裂缝往往发生在主拱圈的拱波顶上，裂缝从主拱圈的一个拱肋与拱波的交接处沿拱波跨径方向向另一个拱肋与拱波的交接处延伸，并且裂缝成环形，与拱波轮廓线形式基本一致。

加固方法：外包混凝土加大拱肋截面。