增大截面法在双曲拱桥加固中的应用

杨雪

（北京中交桥宇科技有限公司）

增大截面法在双曲拱桥加固中的应用

杨雪

（北京中交桥宇科技有限公司）

以广西某双曲拱桥为例，对该桥目前所呈现的各种病害归纳汇总和成因分析。通过增大拱肋截面并增大横系梁截面的方法来提高桥梁承载能力、增强主拱刚度、横桥向稳定性以及改善桥梁行车舒适性的思想对此类桥梁进行加固，以期给类似桥梁的加固改造提供参考。

双曲拱桥；增大截面；桥梁加固

1 引言

双曲拱桥由于节省材料、造价低廉、施工简便、造型美观等特点，在我国桥梁建设中得到了广泛应用，是我国20世纪60～70年代建设最多的一种拱桥形式。近年来，随着我国路网改造、旧路改建和公路等级的提升，交通量的日益增大，重型车辆的日渐增多，限于双曲拱桥当时设计水平和荷载等级标准较低，加之结构的钢材用量少，使得双曲拱桥在运营一段时间后，都出现了不同程度的病害，严重影响桥梁的使用寿命和通行安全。

本文在总结分析双曲拱桥各种病害类型及其产生原因的基础上，着重研究双曲拱桥的加固方法，最后结合工程实例，介绍增大截面法在加固双曲拱桥中的运用，并运用大型空间有限元软件midas-civil对加固前后的结构受力状况进行分析。结果表明，对现有双曲拱桥进行合理的加固改造，可以恢复提高其承载能力，对于消除交通隐患、提高通行能力具有重要意义。

图1 双曲拱桥型布置图

2 工程概况

该双曲拱桥位于广西省境内，全桥共3跨，桥长179.40m，桥宽9.00m。该桥为上承式钢筋混凝土助拱桥。桥面布置为1.00m（左侧人行道）+7.00m（车行道）+1.00m（右侧人行道）。大桥上部结构为3×50m上承空腹式钢筋混凝土双曲拱桥，桥下净高28.35m，矢跨比1/6；下部结构为重力式桥墩，重力式U型桥台，扩大基础。该桥于1991年竣工，设计荷载为“汽-20”，设计洪水频率50年一遇。

3 桥梁病害及成因分析

3.1 主要病害情况

（1）全桥桥面共存在6处坑槽、2处鼓包、9处破损、23处开裂、1处划痕，桥面中央分割线上沥青纵向开裂，裂缝松散，左侧桥面均有不同程度鼓包，车痕。

（2）全桥拱肋、拱波出现多处纵向开裂、破损露筋病害；全桥腹拱圈出现多处横、斜向裂缝以及破损露筋、渗水泛碱等病害。

（3）桥墩、桥台以及拱座出现多处渗水泛碱、麻面以及开裂等病害。

3.2 主要病害原因分析

（1）随着经济发展，道路等级提级后，交通量加大，超限车辆加重了桥梁病害的发展。

（2）该桥施工质量较差，降低了桥梁结构整体承载能力，导致局部构件开裂、破损严重。

（3）桥面铺装破坏，雨水下渗，加速主拱、腹拱的病害发展。

4 桥梁加固方法

针对双曲拱“化零为整”的结构特点、桥梁病害情况、现状桥梁承载能力验算结果以及目前该桥按照公路—Ⅱ级的荷载等级通行的多种情况，综合考虑后，确定采用增大截面加固的方法。以下是具体加固措施。

1）双曲拱主拱肋外包混凝土，底面加大20cm，主拱肋两侧加大12cm，主拱下桥台前墙及墩台纵向整体加大截面，以作新增外包截面基础；主拱拱脚拱背增大截面。

2）对横隔板进行增大截面加固，横隔板底面与拱肋增大截面齐平。

3）腹拱拱腹增加厚度为15cm的钢筋混凝土套拱，对近主拱顶的两立柱墙外包30cm厚钢筋砼加大截面，其余立柱墙增设40cm厚钢筋砼牛腿，牛腿植筋锚固在拱座或立柱墙上。

4) 拱肋新增混凝土纵桥向分为四次浇筑，横桥向先浇筑1、3、5#拱肋，再浇筑2、4#拱肋，每个节段混凝土待其强度达到设计强度的80%，再浇筑下一节段混凝土。施工前，在主拱肋拱顶、1/4点等处埋设变形及应变装置，随时监控拱肋关键部位的应变和变形变化，保证结构安全。加固后桥梁跨中横断加固见图2。

图2 双曲拱跨中横断面加固示意图

5 桥梁加固前后效果对比分析

5.1 计算方法

采用Midas/civil结构计算软件，建立平面梁单元模型进行内力计算。拱上填料用梯形线荷载模拟，车道荷载作用于桥面梁单元，通过填料、腹拱及立柱传递至主拱肋。

5.2 验算内容及荷载组合

主要计算加固前和加固后拱肋在拱脚、2号立墙处、4号腹拱与主拱交界处、拱顶控制截面在恒载、活载及温度荷载等作用下的强度及稳定性是否满足规范要求。（本报告中规定轴力以负值为受压；弯矩以正值表示下缘受拉，负值表示上缘受拉。）

按照公路—Ⅱ级的荷载等级计算加固前和加固后腹拱圈拱脚、1/4、拱顶控制截面在恒载、活载及温度荷载等作用下的强度是否满足规范要求。

进行以上计算时考虑以下两种荷载的组合，计算结果已经按照规范计入各分项系数。

（1）基本组合

组合一：1.0(1.2或1恒载 +1.4汽车荷载)

组合二：1.0(1.2或1恒载+1.4汽车荷载+0.8*1.4（整体温度+收缩徐变）)

（2）正常使用极限状态验算组合

A.作用短期效应组合（组合Ⅱ）

组合一：恒载+0.7汽车荷载

组合二：恒载+0.7汽车荷载+0.8(整体温度+收缩徐变)

B.作用长期效应组合（组合Ⅰ）

组合一：恒载+0.4汽车荷载

组合二：恒载+0.4汽车荷载+0.8(整体温度++收缩徐变)

图3 双曲拱桥有限元计算模型

5.3 加固前计算结果

组合后轴向力最不利时主拱肋各控制截面的验算结果见表1：

表1 组合轴向力最不利时拱肋各截面验算结果

组合后弯矩最不利时主拱圈各控制截面的验算结果见表2：

表2 组合弯矩最不利时主拱各截面验算结果

组合后轴向力最不利时腹拱圈各控制截面的验算结果见表3：

表3 组合轴向力最不利时腹拱各截面验算结果

组合后弯矩最不利时腹拱圈各控制截面的验算结果见表4：

表4 组合弯矩最不利时腹拱各截面验算结果

通过表1至表4可知，主拱圈及腹拱圈各主要截面强度在承载能力极限状态下均不满足公路—Ⅱ级荷载等级要求。

5.4 加固后计算结果

组合后轴向力最不利时主拱肋各控0制截面的验算结果见表5：

表5 组合轴向力最不利时拱肋各截面验算结果

组合后弯矩最不利时主拱圈各控制截面的验算结果见表6：

表6 组合弯矩最不利时主拱各截面验算结果

组合后轴向力最不利时腹拱圈各控制截面的验算结果见表7：

表7 组合轴向力最不利时腹拱各截面验算结果

组合后弯矩最不利时腹拱圈各控制截面的验算结果见表8：

表8 组合弯矩最不利时腹拱各截面验算结果

通过表5至表8可知，主拱圈及腹拱圈各主要截面强度在承载能力极限状态下均满足公路—Ⅱ级荷载等级要求。

6 结语

本文以广西某双曲拱桥为例，采用增大截面的加固方法，验算结果表明，该方法能有效增加桥梁横向稳定性，使得各拱肋受力均匀，提高结构承载能力，满足道路提级的需要，同时增大截面加固的方法并没有改变原桥的截面形式，从而较为完整的保留了双曲拱桥本身具有的美观特性。因此，增大截面加固的方法对于类似桥梁的加固改造具有一定的参考价值。