拱橋加固技術(shù)的研究及改造措施

曹柯

摘要：對拱橋加固技術(shù)研究的意義進(jìn)行了簡要分析，并從拱橋上部結(jié)構(gòu)改造措施（拱上建筑加固法、減輕拱上建筑自重法、粘貼加固法、改變上部結(jié)構(gòu)體系法）及拱橋下部結(jié)構(gòu)改造措施（鋼筋混凝土加套處理法、擴(kuò)大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)法、增加樁基礎(chǔ)數(shù)量法）兩個(gè)角度出發(fā)來探討拱橋的加固改造措施，主要目的就是有效提升拱橋的安全性和實(shí)用性，并對拱橋加固改造的設(shè)計(jì)、施工有一定的參考意義。

Abstract： In this paper， the significance of research on reinforcement technology of arch bridge are analyzed briefly， the reinforcement measures of arch bridge are discussed from two aspects： the upper structure reformation of arch bridge（building reinforcement on the arch， reducing self-weight on the arch， Pasting and reinforcement， changing the superstructure system） and the lower structure reformation of arch bridge（adding casing of reinforced concrete， expanding the foundation structure， increasing the number of pile foundation）. The main purpose is to improve the safety and practicability of the arch bridge effectively， and it has certain reference significance for the design and construction of the reinforcement and renovation of the arch bridge.

關(guān)鍵詞：拱橋；加固技術(shù)；改造措施

Key words： arch bridge；reinforcement technique；reformation measures

中圖分類號：U445.7+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）02-0126-03

0 引言

在我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展下，道路交通量在不斷增加，許多公路橋梁破損嚴(yán)重，其中有多數(shù)橋梁是根據(jù)20世紀(jì)70～80年代的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)修建的拱橋。這些拱橋的設(shè)計(jì)荷載較低，然而隨著車輛載重增加，橋梁負(fù)載加重，橋體出現(xiàn)了各種破損及老化現(xiàn)象，已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)有交通量的需求，對在役拱橋的加固改造已經(jīng)迫在眉睫。在役拱橋中許多已經(jīng)出現(xiàn)混凝土碳化剝落，裂縫、基礎(chǔ)不均勻沉降等病害問題。這些缺陷針對各個(gè)拱橋所處的環(huán)境不同而體現(xiàn)各自的復(fù)雜性。拱橋的改造措施對于延長橋梁使用壽命及保障交通安全都有巨大影響。因此加速發(fā)展拱橋加固技術(shù)及改造措施的研究，不僅能更好地為建設(shè)單位帶來巨大地社會及經(jīng)濟(jì)效益，還能更及時(shí)地為現(xiàn)代交通服務(wù)。

1 拱橋加固技術(shù)研究的意義

20世紀(jì)50～70年代限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)條件和工藝水平，我國修建了大量的雙曲拱橋和石拱橋，至今大都運(yùn)營了四五十年，隨著社會工業(yè)化水平的提高，科技的進(jìn)步，車輛載重量增加，人們對道路橋梁的荷載等級也提出了更嚴(yán)格的要求。但在早期建造的橋梁中，由于當(dāng)時(shí)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，承載能力不能達(dá)到現(xiàn)有的荷載水平，通行能力急劇下降，已經(jīng)滿足不了社會快速發(fā)展的需求，對舊橋進(jìn)行維修加固已經(jīng)迫在眉睫，否則會對現(xiàn)有交通的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，制約了社會及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，用加固改造的方式提高現(xiàn)有橋梁的通行能力和服務(wù)質(zhì)量，以緩解交通壓力，來保證經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義。

危橋舊橋的加固改造是一項(xiàng)十分繁重的任務(wù)，通過對舊橋危橋采用加固改造的方法后能保持交通通行的正常運(yùn)營，那的確是一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理且有效的方法。拆除全部舊橋重建新橋的方法手段既不科學(xué)，也不現(xiàn)實(shí)。經(jīng)實(shí)踐工程證明，對橋梁用適當(dāng)?shù)募庸碳夹g(shù)進(jìn)行改造，不僅能恢復(fù)舊橋的使用能力，還能提高承載能力，并延長了橋梁的使用年限，滿足現(xiàn)有的交通運(yùn)輸需求。舊橋危橋加固的效果不僅能體現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)功能的完善及承載能力的提高，還能節(jié)約資金，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)及社會效益。

2 拱橋上部結(jié)構(gòu)改造措施

拱橋上部結(jié)構(gòu)的病害主要出現(xiàn)在主拱圈截面較小不能滿足新規(guī)范承載力等級要求及拱上建筑的嚴(yán)重破損[1]。

2.1 拱上建筑加固法

對于一些拱橋的拱上建筑出現(xiàn)了嚴(yán)重的破損情況時(shí)，可將舊拱橋的拱上破損結(jié)構(gòu)全部或部分拆除，在舊拱圈上重新建造新的結(jié)構(gòu)。拱上建筑加固法的優(yōu)點(diǎn)是能在盡可能地保留原有的受力體系及構(gòu)造的基礎(chǔ)上提高拱橋的使用壽命。在此方法的施工過程中應(yīng)注意對稱進(jìn)行，否則會因荷載不均衡而失去穩(wěn)定性[2]。

2.2 減輕拱上建筑自重法

減輕拱上建筑自重法是拆除舊拱橋的拱上空腹段普通砼構(gòu)件，將原構(gòu)件改造成預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，清理原實(shí)腹段填料后進(jìn)行換填新型材料。該方法主要了改變填料及結(jié)構(gòu)尺寸，使得拱橋上部的自重減少，在不改變原有主拱圈的體系內(nèi)力的基礎(chǔ)上，拱橋的承載能力有了顯著的提高。

減輕拱上建筑自重的加固方法主要有：

①改變拱上填料厚度；②采用輕型拱上建筑；③采用預(yù)制的空心板或T梁等輕質(zhì)橋面系取代腹拱體系；④改造鋼筋砼立柱或挖空腹孔的重力式橫墻；⑤換填新型填料減輕拱上建筑自重。

2.3 粘貼加固法

該加固方法主要包括粘貼鋼板加固法及粘貼碳纖維布、玻璃鋼加固法。讓碳纖維布、玻璃鋼或鋼板與主拱圈形成一個(gè)整體[3]。將鋼板或用環(huán)氧膠漿粘貼碳纖維布、玻璃鋼等高強(qiáng)材料粘貼在主拱圈的受拉區(qū)段，能提高主拱圈的抗拉能力。

①粘貼鋼板加固法。

用環(huán)氧樹脂將鋼板粘貼在結(jié)構(gòu)受拉構(gòu)件的表面，讓鋼板和橋梁結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，使兩者共同受力。將鋼板的抗拉能力和混凝土的抗壓能力充分地展現(xiàn)出來，使得橋梁的抗剪、抗彎能力有個(gè)明顯的提高，有效地阻止拱橋中裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。一般情況下，鋼板是粘貼在主拱圈的受拉區(qū)域，通過對主拱圈的受力情況分析計(jì)算出所需補(bǔ)強(qiáng)鋼板的數(shù)量，補(bǔ)強(qiáng)范圍宜沿整個(gè)負(fù)彎區(qū)或正彎區(qū)導(dǎo)致截面出現(xiàn)拉應(yīng)力的范圍，并向外延伸1至2m。對跨徑較小的拱橋一般用鋼板將整個(gè)拱圈貼滿，對跨徑較大的拱橋宜將鋼板粘貼在受拉應(yīng)力較大的拱腳附近。

由于鋼板的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原拱圈材料的強(qiáng)度，粘貼范圍的大小可根據(jù)結(jié)構(gòu)受力狀況采用全拱圈寬度粘貼，亦可間隔分肋粘貼。注意截面換算系數(shù)計(jì)算，鋼板與料石截面換算比，考慮到橋梁使用年限過久，對換算系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的折減。

②粘貼碳釬維布、玻璃鋼加固法。

用環(huán)氧膠漿將碳釬維布、玻璃鋼、芳綸纖維布等輕質(zhì)高強(qiáng)材料粘貼在主拱圈圈下緣受拉應(yīng)力較大的部位。這種方法在施工時(shí)比較方便，在加固之后的使用效果也非常顯著。在采用粘貼碳纖維布、玻璃鋼加固法時(shí)，需要對拱橋的病害部位仔細(xì)地了解，在具體加固部位上制定合理有效的加固改造措施。

2.4 改變上部結(jié)構(gòu)體系法

改變上部結(jié)構(gòu)體系法是一種變被動(dòng)為主動(dòng)的橋梁加固方法。通過橋梁結(jié)構(gòu)受力體系的改變，來提高橋梁整體機(jī)構(gòu)的承載能力。這種改變結(jié)構(gòu)體系法需要對舊橋的受力狀況進(jìn)行現(xiàn)場勘查及分析，再對結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換后的橋梁進(jìn)行受力分析，最后確定改變結(jié)構(gòu)體系后的橋梁結(jié)構(gòu)承載力能否達(dá)到規(guī)定橋梁荷載等級的要求。其中如何有效地減少橋梁各個(gè)控制截面的計(jì)算內(nèi)力是改變上部結(jié)構(gòu)體系加固法的關(guān)鍵技術(shù)。

①將拱橋轉(zhuǎn)化為拱桁結(jié)合拱。

拱肋、拱波、拱板及橫向聯(lián)系等4種構(gòu)件組合成了拱橋的主拱圈，主拱圈主要用來承受橋梁荷載及跨越河道。主拱圈承擔(dān)了拱上填料、側(cè)墻、腹拱圈、立柱或立墻等全部拱上建筑。在體系轉(zhuǎn)化改造中增設(shè)了桁架片或剛架片，將桁架片的腹桿或剛架片的立柱以及實(shí)腹段與原拱橋的主拱圈連成一個(gè)整體。增設(shè)的桁架片可將原主拱圈類比為桁架拱橋的下弦桿，增設(shè)的剛架片可將原主拱圈類比為剛架拱橋的主拱腿，轉(zhuǎn)化后的拱桁結(jié)合拱可以大大減少原主拱圈的負(fù)擔(dān)，這樣的新結(jié)構(gòu)體系的承載能力大大超過了原主拱圈。

②將拱橋轉(zhuǎn)化為梁橋。

由于拱橋的主拱圈在承受過大荷載時(shí)發(fā)生形變，導(dǎo)致拱橋的承載能力降低，可以采用梁式建筑來取代舊橋的拱上建筑。這種體系轉(zhuǎn)化方法的優(yōu)點(diǎn)是將減小的恒載用于活載，但是該法的施工較復(fù)雜、影響交通且對整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)有很大的影響。將拱橋轉(zhuǎn)化為梁橋的方法適用于恒載大、填料厚的中小型拱橋。

3 拱橋下部結(jié)構(gòu)改造措施

3.1 鋼筋混凝土加套處理法

在拱橋墩臺的施工質(zhì)量監(jiān)控不嚴(yán)或基礎(chǔ)埋深不夠的情況下，會造成墩臺的開裂或破損，嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)貫通裂縫。在出現(xiàn)這類病害的情況下，可以采用鋼箍加固或鋼筋砼圍帶處理法。當(dāng)拱橋墩臺出現(xiàn)大面積混凝土剝落、表面破損及嚴(yán)重裂縫時(shí)，可以在整個(gè)拱橋墩臺周圍設(shè)置鋼筋混凝土加套法進(jìn)行加固處理。

3.2 擴(kuò)大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加固法

擴(kuò)大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加固法是通過增大地基的受力接觸面積，來提高拱橋基礎(chǔ)的承載能力，進(jìn)一步防止拱橋基礎(chǔ)發(fā)生下沉。這種加固法適用于拱橋墩臺為混凝土或磚石剛性實(shí)式基礎(chǔ)，且埋深較淺、承載力不足的情況。通過地基變形計(jì)算來選定是否采用擴(kuò)大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加固法。在剛性實(shí)體時(shí)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)周圍增加混凝土或圬工結(jié)構(gòu)，來擴(kuò)大拱橋基礎(chǔ)的承載面積[4]。

3.3 增加樁基礎(chǔ)數(shù)量法

當(dāng)橋梁墩臺基礎(chǔ)沒有到達(dá)堅(jiān)硬的巖層或基礎(chǔ)底部為軟臥層時(shí)，橋梁墩臺會發(fā)生沉降，可以采用擴(kuò)大原拱橋的承臺、增加打入鋼筋砼預(yù)制樁、或在樁基礎(chǔ)的周圍增加一些鉆孔樁，來提高基礎(chǔ)的承載力，使得拱橋基礎(chǔ)的穩(wěn)定性增強(qiáng)。增加樁基礎(chǔ)數(shù)量法的優(yōu)點(diǎn)是不用進(jìn)行水下作業(yè)，降低了施工難度，且加固后能有明顯的使用效果。缺點(diǎn)是在施工時(shí)需要開鑿橋面及搭設(shè)樁基支架，會對拱橋路上、水上及原有路線交通產(chǎn)生一定的影響。

4 結(jié)語

拱橋的加固改造對于提搞拱橋承載能力、延長拱橋的使用壽命有著極其重要的作用?？梢酝ㄟ^許多拱橋加固改造的方法對各種類型的拱橋損壞情況進(jìn)行加固。但對于以上加固改造技術(shù)的運(yùn)用還需要具體探查和討論拱橋損壞和開裂的原因，并且需要了解以往的工程項(xiàng)目解解決此類問題的經(jīng)驗(yàn)，綜合各方面因素決定最終需要使用的加固方法，最大限度地發(fā)揮加固改造的作用。雖然既有拱橋的加固改造方法有很多，但沒有一種加固方法是適用于所有拱橋結(jié)構(gòu)的，都需要根據(jù)拱橋病害的具體情況來確定最適合的方法。

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