碳纤维筋在旧拱桥加固中的应用研究

荣淑娟 胡卫军 李嘉铭

【摘要：】在危旧拱桥加固中，传统的波形钢板、钢板箍等加固方案占用桥下大面积净空，影响行洪。碳纤维筋喷浆加固是近些来年来桥梁加固新技术，多用于梁桥的加固中，但对于拱桥加固的适用性尚不明确。文章依托界首二桥加固项目，通过极限分析法计算车辆不同作用点下拱桥极限承载能力，分析碳纤维筋喷射混凝土厚度对加固效果的影响，揭示其极限承载机理。结果表明：（1）通过极限分析法，得到最不利车辆荷载作用位置及拱圈破坏形式，为整桥加固设计提供参考;（2）随着碳纤维筋喷浆层厚度增加，结構极限承载能力呈快速提升状态，最大能够提升28.6%的承载力，但当厚度超过10 cm，提升速率下降，部分作用点承载力提升出现衰减现象;（3）施工过程中应注意喷浆加固拱圈的整体性，提升结构完整性，从而提升极限承载力。

【关键词：】拱桥加固;碳纤维筋喷浆;极限分析法;承载能力;拱圈完整性

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0 引言

改革开放后，我国路网快速发展，因砌石拱桥造价便宜，施工方便，结构承载力高，跨越河流公路建设中大量采用了该类桥型。然而在建设之初，桥梁高性能材料缺乏，基础施工工艺不到位，且早期拱桥经历了40～50年的运行，出现了剪切裂缝、桥台下沉、泛碱、接缝砂浆老化等不同程度的病害，制约了早期建设拱桥的正常通行，而其中大部分旧拱桥未达到拆除重建的标准，对其加固后仍能继续服役。

故目前国内外学者对拱桥加固进行了研究，王锦莉等[1]将玻璃纤维和芳纶纤维混合纤维布复合材料应用在桥梁加固中，降低了梁板底部拉应变，有效提升了桥梁承载能力;周建廷等[2]对钢筋混凝土套箍封闭主拱圈加固拱桥技术与增设新主拱圈等技术进行对比，分析钢筋混凝土套箍的经济性及实用性。龚晓进等[3]对石拱桥的常见病害进行了分析，介绍了不同的拱桥加固形式，提出了不同情况下的加固方式选取准则。张俊波等[4]采用波纹钢板拱进行石拱桥旧桥加固施工，加固效果良好。王宗山等[5]等通过现场试验，验证超高性能混凝土（UHPC）在拱桥加固中有良好效果。

目前的主要加固方法相当于在桥下新建一座小的拱桥，与原拱桥协调受力，提升拱桥承载能力，但该方法侵占了拱下行洪空间，同时需要对拱轴线进行精确测量，还需加工加固钢板，施工速度慢，费用较高。碳纤维筋喷浆加固技术占用空间小，材料强度高，广泛应用在梁桥的加固中，然而应用在拱桥加固中鲜有报道，其对拱桥承载力提升特性尚未有研究。本文通过极限分析法，揭示极限承载力特性，总结现场施工中的要点，为旧拱桥碳纤维筋加固提供指导。

1 项目概况

界首二桥位于桂林兴安县境内Y443线（呼和浩特-北海）K1+771处，建成于1972年，所属路线等级为二级公路。

本拱桥全长39.00 m，桥面全宽9.20 m。上构采用2×12.00 m浆砌片石板拱，下构为重力式U型桥台，采用明挖扩大基础。

对界首二桥总体技术状况进行评定，评分为59.7。现场调研发现主拱圈出现破坏，拱下出现泛碱、纵向裂缝等病害，经综合评定该桥为四类桥梁，需要进行加固。但该桥因河道较窄，上游行洪不畅，已导致上游常年受到洪涝灾害，如采用波形钢板进行加固，会进一步加剧上游水涝灾害。故本文提出碳纤维筋喷浆加固法并对其应用技术开展研究。

2 极限承载力分析

2.1 模型建立

基于OPTUM G2对加固后的拱桥进行分析，在OPTUM G2中提供乘数分布荷载以及从初始值逐渐增加到结构破坏时对应的破坏荷载（极限荷载）。极限荷载为破坏乘数荷载的极限值。破坏乘数荷载由下式计算得到：

qu=αqmult（1）

式中：qu——破坏系数荷载（kN）;

α ——乘数系数;

qmult——基础荷载（kN）。

在极限分析法中，将材料设定为理想弹塑性体或钢塑性体。在流塑性状态下，材料的屈服应力与塑性应变可采用流动规则来表征。流动规则状态下，塑性应变率分量之间关系如下：

（2）

式中：F——外荷载力（kN）;

σ1——主应力（kPa）;

σ3——侧向应力（kPa）;

ε1、ε3——对应方向应变。

本文假定碳纤维筋喷浆层为均质各向同性，材料应力应变满足理想弹塑性模型要求。拱结构采用弹性本构模型，土采用摩尔-库仑本构模型，计算材料参数见表1。

2.2 计算方案

为研究不同喷浆加固厚度对拱圈不同受力段荷载承载特性的影响，根据刘哲坤等的研究成果[6]，选取最不利拱桥荷载，在单辆重载车辆通行作用下，计算拱桥的极限承载力，分析得到拱桥受力最不利点。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）表4.3.1- 汽车车轮与地面接触的着地宽度及长度分别取60 cm、20 cm，并根据目前该桥的交通管制，取限制允许通行最大货车长度为5.6 m进行模拟，最不利荷载作用点分别取1/4拱处和拱顶处，计算车辆前后轮分别行驶至如图1中①～B11处时，计算其极限承载力。

按照加固厚度为5 cm、10 cm、15 cm、20 cm对拱桥进行加固模拟，再进行极限承载力分析，车辆前后轮作用点计算方案如表2所示。

3 结果分析

按表2对目前旧拱桥的极限承载力进行了分析，不同荷载组合形式下拱桥极限承载力如图2所示。

当载重的车辆从左边跨向右边跨驶入时，前后轮作用在拱的不同位置处，对于拱圈极限承载力影响不同，极限承载力初始较大，车辆驶入后呈先下降后上升趋势，行驶至右拱圈1/4处时，进一步下降，驶离右拱圈1/4处时，开始呈现上升趋势。

分析其原因，当车辆前轮作用在左拱圈1/4处时，拱桥中墩分担了一部分荷载，拱桥的整体极限承载力较高，当车后轮行驶至桥跨两侧1/4处时，车辆荷载通过拱实腹段向下传递荷载，荷载作用在拱圈上形成水平分力和竖向分力，造成中墩位置及车轮前缘拱圈出现拉应力。随着乘数荷载的增大，拉应力超过拱桥材料的极限抗拉强度，拱桥出现拉裂破坏，行驶至右边跨时承载力大于左边跨，主要是由于右侧桥台能够提供一定的承托力，分散作用在1/4拱处的力。而当车辆行驶至荷载均匀布置在拱桥两侧时（如图3所示），破坏形式以拱圈和中墩拉裂破坏为主，右侧拱圈提供了一定的抗力，车辆荷载前后轮作用点出现了剪断破坏。在加固设计中，应针对相应的破坏形式，提升薄弱点的抗力，从而提升整体拱桥的承载力。DA28750F-A428-45D6-944E-EC0ED9554DD4

不同加固厚度下的拱桥承载力计算结果如图4所示。

如图4所示，随着碳纤维筋加固厚度的增加，拱桥的承载力有不同程度的提升，靠近中墩位置在荷载组合（5）作用下极限承载力提升较小，甚至后期出现了负增长的现象，而对于跨中在荷载组合（2）、（3）作用下提升明显。在荷载组合（1）、（4）、（6）、（7）作用下加固厚度达到15 cm时，承载力增长出现了放缓，主要是由于拱下喷浆，造成结构增重，导致增加的部分抗力被结构自重所抵消。

引入碳纤维筋加固厚度与极限承载力提升系数β，计算公式为：

β=pipo （3）

式中：pi——对应厚度的碳纤维筋喷射层极限承载力（kN）;

po——未喷射碳纤维筋喷射层极限承载力（kN）。

通过式（3）计算得到5 cm、10 cm、15 cm、20 cm加固厚度下的极限承载力提升系数，如图5所示。

由图5可知，随着碳纤维筋喷射混凝土的厚度增加，极限承载力呈现先快速增加，0～10 cm加固厚度情况下，所有组合荷载作用下极限承载力快速上升，然后增长趋势趋于平稳，部分加载点出现增强系数下降的现象。加固厚度达到20 cm时，不同荷载组合下的提升系数为：22.04%、22.89%、22.31%、16.83%、6.09%、13.02%、23.95%。极限承载力仍均未低于加固时的极限承载力，故碳纤维筋加固对极限承载力有明显提升作用。在考虑经济性和提升效果的情况下，宜采用10 cm厚的碳纤维筋喷射混凝土加固层厚。提高桥梁整体承载力，需针对易破坏位置进行加固。

4 现场施工要点

碳纤维筋与桥台、中墩连接性能是形成结构力的关键，碳纤维筋植入拱座基础15 d，进行清孔，注满植筋胶后插入碳纤维筋，孔内植筋胶溢出表明注浆饱满。在拱座位置1 m范圍内进行加密，每5 cm加密一根;在拱顶4 m范围内加密，每5 cm加密一根。

拱圈结构力的形成是本加固工艺的重点，施工中应保证拱圈施工的完整性，横向断面过宽，可采用横向分幅、纵向一次施工的方法进行施工，保证每幅形成完整的拱圈结构。喷浆过程应保证高强水泥砂浆的饱和度，避免出现空洞应力集中，造成结构力下降的情况。

5 结语

本文基于OPTUM G2有限元软件，对待加固拱桥极限承载力进行了分析，进一步探究了碳纤维筋喷浆技术在危旧拱桥加固中的适用性，揭示加固层厚度对极限承载力的提升作用，主要结论如下：

（1）原危旧拱桥在设计组合荷载作用下，不同位置的极限承载力不同。车辆后轮作用靠近中墩1/4拱处时，极限承载力最小，破坏原因主要是存在斜向拉应力，导致中墩剪切拉裂，加固中应采取措施重点加固。

（2）碳纤维筋形成拱结构力后，能够有效提升旧拱桥的极限承载力。随着喷射层厚度的增加，极限承载力提升呈现先增加，后增长趋于放缓，且部分作用点承载力出现下降现象。综合考虑经济性和提升性能，碳纤维筋喷射混凝土加固厚度采用10 cm为宜。

（3）在施工过程中，碳纤维筋喷射混凝土结构与原结构结合度，协调受力是提升拱桥抗力的关键，应重点关注台座处的碳纤维筋植入、灌浆饱和度，碳纤维筋加密等，应采用纵向分幅，保证拱圈结构的完整性。

参考文献：

[1]王锦莉.混合纤维布复合材料加固桥梁试验研究[J].交通世界，2022（Z2）：29-30.

[2]周建廷.钢筋混凝土套箍封闭主拱圈加固拱桥研究[J].公路，2002（1）：44-46.

[3]龚晓进.石拱桥病害分析及维修加固方法研究[D].成都：西南交通大学，2007.

[4]张俊波，龙青华，宋振辉.波纹钢板拱在石拱桥加固中的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2018（14）：117-118.

[5]王宗山，周建庭，杨 俊，等.UHPC在圬工拱桥加固中的应用[J].世界桥梁，2022，50（2）：105-111.

[6]刘哲坤，张 炜，曲 波，等.低路堤大跨径钢波纹板拱桥受力特征分析[J].中外公路，202 41（4）：168-172.DA28750F-A428-45D6-944E-EC0ED9554DD4