拱橋加固及改造方法研究★

馮良勇

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 概述

隨著現(xiàn)代交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，大噸位車輛和交通量不斷增加，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載性能提出越來越高的要求。然而我省拱橋大部分建于20世紀(jì)50年代～80年代，設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低，并且已經(jīng)運(yùn)營數(shù)十年，再加上超載、超限車輛日益增多，大批拱橋技術(shù)狀況已經(jīng)不能滿足行車安全和日益增長的交通量需求[1]。對(duì)于這些承載性能不滿足需求的拱橋，可通過兩種方式處理：一是拆除重建；二是采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，恢?fù)并提高橋梁承載能力，以適應(yīng)當(dāng)前的交通運(yùn)輸需求[2]。

我省危橋數(shù)目中拱橋在橋梁總數(shù)中已經(jīng)占據(jù)一定比例，并且隨著日益增長的交通量和車輛載重，越來越多的橋梁加入到危橋行列，對(duì)這些危舊拱橋一律予以拆除重建是不科學(xué)的，也是不現(xiàn)實(shí)的。國內(nèi)外資料表明[3-6]，舊橋的加固改造與拆除重建相比更經(jīng)濟(jì)，不但可以節(jié)省大量的資源，而且產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益，對(duì)恢復(fù)、提高危橋的承載能力及通行能力，延長拱橋的使用壽命以滿足現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)男枨笫乔袑?shí)可行的，且對(duì)于維護(hù)公路交通正常運(yùn)營、保證沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等具有積極意義。

2 拱橋病害及原因

通過對(duì)遼寧省以往拱橋檢測報(bào)告分析和現(xiàn)場調(diào)研等方式，總結(jié)我省公路拱橋的病害情況，并分析不同病害產(chǎn)生的原因以及病害對(duì)橋梁受力性能的影響，明確病害對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的危害性。

拱橋主拱圈主要病害形式為裂縫，其產(chǎn)生主要原因?yàn)?

1)缺乏保護(hù)主拱圈整體性的措施，當(dāng)橋臺(tái)產(chǎn)生位移和沉降時(shí)，加大了拱頂正彎矩和拱腳剪力，從而產(chǎn)生了拱頂法向拉應(yīng)力、拱腳剪應(yīng)力。當(dāng)它們超過極限應(yīng)力值時(shí)，裂縫就產(chǎn)生了。

2)波頂本身就是薄弱截面，再加上混凝土的收縮，所以容易產(chǎn)生裂縫。

3)由于橫向聯(lián)系不夠，構(gòu)件剛度小，拱肋撓度過大或者發(fā)生一定程度的扭轉(zhuǎn)就很容易造成波頂?shù)拈_裂。

拱橋腹拱圈主要病害形式為裂縫，其產(chǎn)生主要原因?yàn)?

1)腹拱基本全部為預(yù)制構(gòu)件，在拱角處并沒有設(shè)置鉸，這就使得在結(jié)構(gòu)受到荷載、溫度變形、混凝土收縮的情況時(shí)，在腹拱就產(chǎn)生了較大的內(nèi)力，從而引起了開裂。

2)溫度變化，混凝土收縮使得主拱圈產(chǎn)生橫向的不均勻變形，從而使腹拱墩臺(tái)產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致腹拱的環(huán)向開裂。

拱橋側(cè)墻主要病害形式為側(cè)墻鼓脹外傾、豎向開裂及側(cè)墻與主拱圈結(jié)合面脫裂和水平開裂等病害，其產(chǎn)生主要原因?yàn)?

1)排水不暢造成的，填料里匯聚了大量的水分，所以就向外鼓脹。

2)主拱圈在荷載作用下變形造成的，再加上腹拱圈未設(shè)變形縫，引起腹拱墩頂側(cè)墻開裂。

3)側(cè)墻與后臺(tái)側(cè)墻之間未留變形縫造成的。

3 拱橋加固方法及使用周期

拱橋常用的加固方法包含錨噴混凝土法、增大拱肋法、增設(shè)拱肋法等。本文針對(duì)拱橋常用加固方法進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，共調(diào)研加固后橋梁30余座。按照加固時(shí)間的不同，每種加固方法均有7座以上橋梁，便于后續(xù)加固效果的分析。

3.1 各加固方法評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

按照加固后拱橋的表觀狀態(tài)，并參考《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)和主要部件技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)度，將通過不同加固方法加固后的缺損狀態(tài)分為5個(gè)程度相應(yīng)5個(gè)標(biāo)度，不同程度狀況描述見表1～表3。

表1 錨噴混凝土法橋梁狀態(tài)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

表2 增大拱肋法橋梁狀態(tài)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

表3 增設(shè)拱肋法橋梁狀態(tài)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

3.2 各加固方法效果

3.2.1 錨噴混凝土法

通過對(duì)錨噴混凝土法加固拱橋的調(diào)研，對(duì)各橋梁加固狀態(tài)按表1的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)分析，得出使用時(shí)間與該加固方法加固效果好壞程度的直方圖，見圖1。

由圖1可以看出，錨噴混凝土法加固后的拱橋使用3 a后，已經(jīng)處于中等破損狀態(tài)，說明該加固法存在其自身的缺陷，特別是混凝土開裂嚴(yán)重影響了加固的耐久性，有效使用期較短。

3.2.2 增大拱肋法

通過對(duì)增大拱肋法加固拱橋的調(diào)研。對(duì)各橋梁加固狀態(tài)按表2的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)分析，得出使用時(shí)間與該加固方法加固效果好壞程度的直方圖，見圖2。

在同樣采用增大拱肋截面法進(jìn)行加固后，拱橋運(yùn)營了6 a～7 a拱肋很少出現(xiàn)環(huán)向裂縫，但肋板拱僅僅運(yùn)營3 a便出現(xiàn)了大量的拱肋環(huán)向裂縫，這樣的病害在同年加固的黑水河橋(肋板拱)中也大量存在。

通過以上分析可以說明，增大拱肋截面法在拱橋加固中效果較為明顯，目前加固過的拱橋未發(fā)現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)性病害，應(yīng)用前景廣泛。至于該方法在肋板拱中的應(yīng)用，短時(shí)間內(nèi)環(huán)向裂縫病害突出，嚴(yán)重影響了加固的耐久性。

3.2.3 增設(shè)拱肋法

通過對(duì)增設(shè)拱肋法加固拱橋的調(diào)研，對(duì)各橋梁加固狀態(tài)按表3的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)分析，得出使用時(shí)間與該加固方法加固效果好壞程度的直方圖，見圖3。

增設(shè)鋼筋混凝土拱肋法是最近兩年新采用的加固方法，本次共調(diào)研7座使用該方法加固的拱橋。由圖3可以看出，增設(shè)鋼筋混凝土拱肋法加固后的拱橋使用4 a后的橋梁處于輕微缺損狀態(tài)。從調(diào)研中可以發(fā)現(xiàn)，只要新增拱肋與原拱圈連接牢靠，可充分發(fā)揮新增拱肋的作用，且該方法可大大提升石板拱的承載能力，應(yīng)用前景廣泛。

4 結(jié)語

通過對(duì)遼寧省內(nèi)拱橋加固后現(xiàn)狀的調(diào)研，對(duì)比分析常用加固方法的加固效果，針對(duì)性地提出評(píng)價(jià)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，建立拱橋加固及改造技術(shù)應(yīng)用后評(píng)價(jià)方法，以便更為合理有效地對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為拱橋加固及改造工程方法選取提供參考，降低拱橋加固、維修成本，為橋梁管理部門提出拱橋加固后評(píng)價(jià)依據(jù)，節(jié)約養(yǎng)護(hù)資金。

1)錨噴混凝土法加固后的拱橋使用3 a后，已經(jīng)出現(xiàn)破損狀態(tài)，說明該加固法存在其自身的缺陷，特別是混凝土開裂嚴(yán)重影響了加固的耐久性，有效使用期較短。

2)增大拱肋法在肋板拱中的應(yīng)用，短時(shí)間內(nèi)環(huán)向裂縫病害突出，影響了加固的耐久性。

3)從作用原理上講，增設(shè)鋼筋混凝土拱肋法充分利用了混凝土抗壓性能，當(dāng)新增拱肋與原結(jié)構(gòu)連接牢靠時(shí)，可以較大幅度的提高原拱橋的承載能力，應(yīng)用前景廣泛。