韓忠磊，鄭立飛

（大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧大連116011）

1 概述

雙曲拱橋首創(chuàng)于20世紀(jì)60年代初，它以施工方便、橋型優(yōu)美、節(jié)約材料等優(yōu)點(diǎn)曾被廣泛修建，為我國的公路交通事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。雙曲拱橋的主拱圈通常是由拱肋、拱波、拱板和橫向聯(lián)系等幾部分組成，主拱圈的特點(diǎn)是先化整為零，再集零為整，施工時(shí)可以不要拱架、施工進(jìn)度快、所耗鋼材也不多。它充分利用了預(yù)制裝配的優(yōu)點(diǎn)，使得施工過程適應(yīng)了無支架施工和無大型起吊機(jī)具的情況。為了加強(qiáng)主拱圈受力的整體性，在拱肋之間設(shè)置有橫系梁。根據(jù)橋梁寬度的不同，雙曲拱橋主拱圈橫截面可以做成單波、雙波、多波、懸半波和高低波。這種截面的截面抵抗矩比相同材料用量的板拱大，因而可以節(jié)省材料，且在施工等方面比板拱有較多的優(yōu)越性。

然而，經(jīng)過30多年的使用，這種橋型出現(xiàn)了許多的病害，如拱波縱向開裂、拱肋破壞露筋、拱上建筑開裂和橫系梁破壞等病害。這些病害影響了橋梁的承載能力，對交通運(yùn)輸安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，甚至?xí)l(fā)橋梁坍塌的惡性事故發(fā)生。

本文以某公路雙曲拱橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢扔袖摻罨炷岭p曲拱橋的病害及病害產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，結(jié)合雙曲拱橋自身的構(gòu)造特點(diǎn)，提出其維修加固措施，并對該橋加固前后主要力學(xué)參數(shù)的理論分析結(jié)果進(jìn)行對比。

2 雙曲拱橋主要病害及成因

2.1 上部結(jié)構(gòu)病害

上部結(jié)構(gòu)病害主要有：拱波縱向開裂、拱肋破壞露筋、拱上建筑開裂、橫系梁破壞等。這些病害在雙曲拱橋中都是比較常見的。

拱波的縱向開裂是雙曲拱橋最常見的病害。病害產(chǎn)生的主要原因有：第一，拱波太薄，鋼筋保護(hù)層不足；第二，由于建設(shè)時(shí)鋼材用量不足，拱波配筋很少，有的拱波配置的鋼筋網(wǎng)鋼筋間距太大；第三，雙曲拱橋由于橫向聯(lián)系較弱使得整體剛度不強(qiáng)，荷載橫向分布較差，造成變形不協(xié)調(diào)，使拱波的受力變得復(fù)雜，加速了拱波裂縫的產(chǎn)生。

拱肋破損鋼筋外露，原因主要有四個(gè)方面：一是拱肋截面配筋偏少，混凝土標(biāo)號不高，拱肋的承載能力和抗開裂能力不高；二是荷載橫向分布較差導(dǎo)致拱肋受力的不均勻，使個(gè)別拱肋受力過大；三是拱肋破壞后鋼筋銹蝕，銹脹的鋼筋又使混凝土沿著裂縫繼續(xù)開裂，造成惡性循環(huán)；四是基礎(chǔ)下沉及傾斜造成拱軸線偏離，拱肋受力發(fā)生變化，原本設(shè)計(jì)的受壓構(gòu)件出現(xiàn)了拉應(yīng)力。

拱上建筑開裂。拱上建筑的受力是整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的。橋梁荷載通過拱上建筑向下傳遞到主拱圈，在拱墻與主拱圈連接處未設(shè)置“鉸”而約束了拱墻的變形，這種變形對腹拱來說相當(dāng)于施加了墩臺位移。第二，由于混凝土開裂的產(chǎn)生，混凝土的碳化與鋼筋銹蝕現(xiàn)象也隨之產(chǎn)生。第三，從結(jié)構(gòu)角度來看，雙曲拱橋的腹拱是一組小跨的連拱，其中一片腹拱的變形會(huì)影響到另外幾片相連的腹拱。

橫系梁破壞。雙曲拱橋的橫系梁在設(shè)計(jì)時(shí)就存在問題，在設(shè)計(jì)時(shí)橫系梁的截面尺寸能夠滿足橫向聯(lián)系的要求，但在使用過程中卻達(dá)不到預(yù)期的效果，說明橫系梁的設(shè)計(jì)和計(jì)算存在著不足。第二，橫系梁在聯(lián)接拱肋時(shí)，由于拱肋所產(chǎn)生的位移不同而使得橫系梁的受力不再是單純的受拉狀態(tài)，而是拉、彎、扭、剪等受力狀態(tài)共同存在，因此，當(dāng)作用較大的外荷載時(shí)，橫系梁就會(huì)產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力和剪切變形，導(dǎo)致橫系梁被剪壞，這也是其破壞一般發(fā)生在橫系梁與拱肋的聯(lián)接處的主要原因。

2.2 下部結(jié)構(gòu)病害

下部結(jié)構(gòu)病害的主要表現(xiàn)形式有：橋墩(臺)開裂、混凝土剝落、鋼筋外露，基礎(chǔ)局部沖空，基礎(chǔ)側(cè)傾或下沉，翼墻、耳墻破壞，錐坡、護(hù)坡破壞等。

橋墩(臺)表面混凝土開裂、剝落等一般發(fā)生在橋梁墩(臺)身，但在拱腳與墩臺的聯(lián)接處也存在較大的裂縫。墩身混凝土開裂剝落比較普遍，多是由于混凝土的碳化引起的，由于橋梁長期暴露于大氣環(huán)境下，缺乏正常的維護(hù)，混凝土耐久性遭到破壞，在干濕循環(huán)區(qū)域的混凝土構(gòu)件一旦發(fā)生開裂，便形成鋼筋銹脹和混凝土開裂的惡性循環(huán)。拱腳處的裂縫不多見，多數(shù)是由于構(gòu)造上配筋不合理造成的。

基礎(chǔ)下沉或側(cè)傾一般是由于地基承載力不足引起的，該種病害一般不多見。翼墻、耳墻破壞，錐坡、護(hù)坡的破壞等病害多為缺乏養(yǎng)護(hù)等人為因素引起。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國存在的鋼筋混凝土雙曲拱橋，幾乎都存在不同程度的病害和缺陷。其中上部結(jié)構(gòu)病害較多，如不及時(shí)維修加固，必然會(huì)對橋梁的安全性、耐久性造成很大影響。

3 維修加固措施研究

由于鋼筋混凝土雙曲拱橋的病害較多，因此，對不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用不同的加固方法，本文從病害較重的拱肋、拱波、拱上建筑、橫系梁等幾個(gè)部位進(jìn)行了加固措施的研究。

3.1 拱肋的維修加固

拱肋作為雙曲拱橋的主要受力構(gòu)件，關(guān)系著整個(gè)橋梁的安全運(yùn)營和承載能力。拱肋加固采用粘貼鋼板方法：采用環(huán)氧樹脂系列粘結(jié)劑將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的受拉緣或薄弱部位，使之與原結(jié)構(gòu)物形成整體共同受力，以提高其剛度，改善原結(jié)構(gòu)的鋼筋及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，從而達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)、提高橋梁承載能力。為了保證混凝土與鋼板之間能夠粘貼緊密，鋼板和混凝土之間采用加壓膨脹螺栓進(jìn)行緊固。該方法具有施工簡便、粘鋼所占空間小、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。拱肋粘貼鋼板加固方法見圖1。

3.2 拱波的維修加固

由于拱波上的縱向裂縫較多，因此，先采用注膠法對裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，再用粘貼碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。注膠時(shí)先對裂縫周圍松散的灰漿、砂粒等雜物進(jìn)行清理，然后采用粘結(jié)度高、流動(dòng)性好、可注性好、固化體積收縮小、固化時(shí)間均按施工工藝要求可調(diào)節(jié)及耐久性好的樹脂類材料對裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，注膠過程要嚴(yán)格按照施工工藝進(jìn)行，注完膠后按要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；碳纖維布粘貼施工時(shí)，先對混凝土基面進(jìn)行處理，確保粘貼基面干凈，涂膠時(shí)要涂抹均勻，并保證涂層平整，粘貼過程要嚴(yán)格按照施工工藝的要求進(jìn)行，以保證碳纖維布的加固效果。拱波維修加固見圖2。

3.3 拱上建筑的維修加固

拱上建筑的加固采用掛網(wǎng)噴漿方法，首先鑿除腹拱圈、拱墻和橫隔墻的混凝土保護(hù)層，露出主筋，然后在各個(gè)部位種植錨固筋，并將鋼筋網(wǎng)與錨固筋焊接，最后清除混凝土表面殘留物，噴射混凝土保護(hù)層；混凝土噴射前應(yīng)在表面涂刷一層混凝土界面劑，并且噴射過程要一次完成，以保證新舊混凝土能更好的形成整體。腹拱的維修加固見圖3。

3.4 橫系梁的維修加固

為了提高橋梁的整體剛度，考慮到橫系梁在設(shè)計(jì)時(shí)就偏小，因此，采取增加橫系梁和增大原有橫系梁截面的方法進(jìn)行加固。新增加的橫系梁設(shè)置在原有橫系梁的中間，原有橫系梁內(nèi)部鋼筋進(jìn)行補(bǔ)焊，并將截面增加到與拱肋截面同高。

4 加固前后效果對比

4.1 工程實(shí)例

某四跨上承式鋼筋混凝土雙曲拱橋，單跨凈跨徑45 m，橋面寬為1 m(人行道)+6 m(車行道)+1 m(人行道)=8 m，橋墩(臺)及橋臺翼墻采用170號混凝土，基礎(chǔ)采用150號混凝土，拱座用250號鋼筋混凝土。橋墩、橋臺基礎(chǔ)均為明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，基底基巖為砂巖。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車-13級、拖-60。該橋始建于1969年，于1971年投入運(yùn)營。拱肋截面配筋見圖4。

4.2 抗力計(jì)算

由《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算中性軸位置

式中：Rg為縱向鋼筋抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度；Ag為縱向抗拉鋼筋截面面積；Ra為混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度；b為構(gòu)件寬度。

解得：x＝32.55 cm

加固前抗力計(jì)算：

式中：rc為混凝土安全系數(shù)，取1.25。

加固后抗力計(jì)算：

拱肋經(jīng)過粘鋼加固后，拱肋截面面積增大，抗力增加，抵抗矩增大。拱肋粘鋼后截面見圖5。

中性軸位置：

式中：Rb為粘貼鋼板的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度；Ab為粘貼鋼板的截面面積；Rg為縱向鋼筋抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度；Ag為縱向抗拉鋼筋截面面積；Ra為混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度；b為構(gòu)件寬度。

解得：x=37.62 cm

加固后抗力計(jì)算：

4.3 效果對比

在將上述加固措施應(yīng)用到工程實(shí)際中后，根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算出橋梁加固前后的抗力值，從數(shù)值結(jié)果的對比看，橋梁的抗力值有了很大的提高。說明本文提出的橋梁加固措施有著較好的效果。

5 結(jié)論

目前，正在服役的公路鋼筋混凝土雙曲拱橋數(shù)量還比較多，其中的大多數(shù)都存在不同程度的病害，給橋梁的安全性、耐久性和可靠性帶來了不利影響。正確分析和總結(jié)既有雙曲拱橋的病害及其成因，對于橋梁的維修加固有著重要意義，同時(shí)，本文提出的維修加固措施對今后雙曲拱橋的加固也有重要的參考價(jià)值。

[1]姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,1996.

[2]王燦,朱新實(shí).雙曲拱橋病害原因分析及處治對策的研究[J].公路.2002(11):74-76.

[3]公路橋梁工程建設(shè)與危舊橋測試改造拆除加固維修技術(shù)及典型案例分析實(shí)務(wù)全書[M].北京:光明日報(bào)出版社,2002.

[4]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2004.