钢筋混凝土拱桥复合加固技术的研究与应用

王维国

(威海市乳山公路管理局，山东威海 264000)

钢筋混凝土拱桥复合加固技术的研究与应用

王维国

(威海市乳山公路管理局，山东威海 264000)

随着交通事业的快速发展，托挂车、超重车及大型车辆逐年快速递增，已对公路桥梁的安全造成了较大的影响。目前，我国地方公路桥梁多数运营20 a以上，有些甚至高达40～50 a，其承载力相远远不足以承载现有车辆压力。为了满足现代化交通运输的需要，同时够达到充分利用现有桥梁，降低工程造价，节约资金的目的，采用先进的加固技术和改造措施对旧桥进行改造加固将直接促进我国交通事业的发展，更好服务于国民经济的发展。

钢筋混凝土拱桥；复合加固技术；应用

0 引言

为了满足国民经济的发展的需要，我国在交通事业特别是公路桥梁体系的投入大幅度提升但依然不能完全满足实际需求。同时，越来越多的重型运输车辆不断出现，这对于公路桥梁的结构性能和使用强度等都提出了更为严格的要求。当钢筋混凝土桥梁破损后采用科学的加固技术进行加固或者对原有的桥梁部件进行修复将能提高局部或整座桥梁承载能力或通过能力。桥梁加固工作大多数情况下保留原有的建造结构，施工方便，工期短，造价低，有效保障公路桥梁的安全畅通。

1 钢筋混凝土拱桥主要病害形式

拱桥结构的上部病害损伤主要分布在主拱圈、附拱圈、盖梁、主梁、拱上立柱、支座及桥面系等部位。

1.1 拱桥径向裂缝

拱桥径向裂缝在主拱圈的拱脚及拱顶最常发生。拱脚附近的裂痕下面窄上面宽，从拱轴线中间从上往下裂开，通常垂直于拱轴线，这种裂缝是于负弯矩的问题产生的。拱圈背部设置有钢筋时，数条近乎平行的裂痕会从拱圈脚部的截面上方同时出现，其中拱脚处的裂缝最宽，并向1/4跨的方向趋于减少。裂缝宽度要控制在0.25 mm以下，一旦超过这个标准就要及时进行加固或构件更新处理。当拱圈背部没有设置钢筋时，裂缝一旦产生，其虽然数量少但宽度会比较大，产生的影响也比较严重。拱顶附近的径向裂缝是由于正弯矩而引起的，这种裂缝自下而上，下面比上面宽，严重时会造成整个拱顶坍塌。为了减少这种裂缝的产生，在建造之初就应当根据具体情况采取预防措施，准保工程质量。在已经建成并投入使用的拱桥中，一旦出现径向裂缝，就要进行科学评估，以确保是否能够继续使用。拱顶和拱脚的裂缝达到截面的中性轴，该桥就已经失去使用价值，需要重新建造；否则只需进行科学检测分析并予以加固。径向裂缝的主要形成原因：

(1)截面整体性差

在具体施工过程中，拱桥常采用预制装配和化整为零的施工方法，并没有依据设计时依据整体的组合截面来计算拱圈的方法，这降低了拱圈截面的整体性。即使是在整体性较好的拱桥中，拱顶、拱脚出现径向裂缝也是常见现象，而截面整体性较差的桥梁就更容易产生裂缝。由于施工的误差而建造的截面整体性较差的桥梁在投入实际使用的过程中，通行车辆反复的超负荷的运载，使得桥梁拱圈截面的整体性更差，加速了径向裂缝的产生。

(2)受混凝土收缩、温度变化和墩台变位的影响

实际施工过程中有多方面的因素和设计时存在一定差距，如混凝土收缩、温度变化和墩台变位。在设计施工过程中应足够重视上述因素的影响，取值要合理，在低温时以最快速度合拢，并严格依据正确的施工程序进行施工。考虑如果不充分，将可能造成拱顶下沉，拱脚负弯矩和拱顶正弯矩加大。拱桥产生裂缝、拱顶下沉又一个重要原因是桥台水平位移，它可能致使桥梁生成多种极具破坏性的病害。所以在建造无铰拱桥时建成一个牢固的桥台是极其重要的。

1.2 拱桥的纵向裂缝

拱桥的纵向裂缝容易出现在拱圈宽度超过8 m的拱桥上。这种裂缝通常顺着桥面中线附近顺跨经方向延伸，病害严重时可能会贯通整座桥梁，将桥在拱圈位置折断。拱圈第二条纵向裂缝通常会出现在拱圈宽度超过20 m的拱桥上。拱桥的纵向裂缝产生的主要原因：

(1)拱圈截面设计的形式不合理，没有充分考虑桥梁热胀冷缩的需要；

(2)横截面荷载力分布不均匀；(3)拱圈的砌筑质量差。

1.3 与拱波结合面上的环向裂缝

只有双曲拱桥中会产生拱波与拱肋结合面上的环向裂缝。环向裂缝的最大宽度往往产生在拱脚和拱顶处，从拱脚和拱顶向两1/4跨裂缝逐渐减小直至消失。不同的原因会产生不同部位的环向裂缝。肋、波之间的抗剪能力很弱、拱脚剪力较大会引起拱脚附近的环向裂缝，由于拱肋受拉时产生了径向拉力,而肋波间抗拉能很小会引起拱顶附近的环向裂缝。矩形拱肋的双曲拱桥，在技术不成熟时，肋、波、板的结合不够密切，加上工人在行走施工过程中破坏拱肋顶面的清洁，截面上实际抗拉和抗剪的能力都较小，所以这个结合面上非常容易产生环向裂缝。桥梁的承载能力在拱肋与拱波可能全部脱开时极大的降低，加剧了环向裂缝的产生。为了达到减少环向裂缝在产生的目的，后期采用了倒T形拱肋的双曲拱桥，提高胃肋、波、板的结合度，注重桥台稳固，努力提高施工质量。

2 钢筋混凝土桥梁复合加固技术分析及应用

2.1 钢筋混凝土桥梁复合加固技术分析

采取何种维护加固方法取决于桥梁在病害特点及其严重程度以及病害产生在部位［1-4］。常见的加固方法有：

(1)粘贴钢板法。粘贴钢板加固钢筋混凝土结构的方法始于20世纪60年代初的瑞士和德国，是在L.Hermite和Bresson工作的基础上加以桥体主要构件的抗、发展起来的。在钢筋混凝土受弯构件表面粘贴环氧树脂或建筑结构胶把钢板，使桥体和粘贴的材料形成整体，使构件的抗弯能力和抗剪能力得到提高，减少裂缝扩展。这种方法具有易于施工，粘钢所占空间小，可保证桥梁净空面积不减少，施工周期短，耗材少，设置灵活等显著特点，还能在不影响或尽量少影响交通的情况下完成施工。梁式桥或梁、板构件的补强加固的施工过程中常用到此法。

(2)粘贴高强纤维片材法。碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)、芳纶纤维(AFRP)这三种纤维是目前用于加固混凝土结构的纤维材料。碳纤维材料因为有质轻，高强、耐腐蚀、耐疲劳等优异的物理力学特点，加上现场施工方便，越来越普遍地被应用于桥梁工程补强加固中。为了实现对变形构件的制约并提高构件的承载能力和极限强度，在加固受损桥体构件时，用粘结材料将碳纤维材料规则地分布在构件表面。粘贴在混凝土梁的顶面或者是底板上，用以提高混凝土梁的截面强度和刚度，在桥梁加固实际运用中常使用的方法；还可以把碳纤维绕在节点部位来实现抗震设计和加固的需求。碳纤维虽然有很高的强度，但因为这种材料脆性大，不具有钢筋的屈服特性，所以在设计的时候要避免使用到其破坏强度。

2.2 钢筋混凝土桥梁复合加固技术应用

2.2.1 工程概况

某大桥，1994年9月动工，1996年4月建成并投入使用。桥长205.9 m，桥面宽26.6 m，双幅分离式等截面悬链线钢筋混凝土箱肋拱桥，双幅桥的墩台和基础一体，建于广西桂林至北海高速公路路段，上下游幅分为为三个和两个车道。该桥设按汽车超-20级，挂车- 120荷载标准设计；上游幅外侧的一个车道按汽车-15级，挂车-80的地方车道标准设计。桥面净宽：上游幅3×0.44 m(防撞墙)+10 m行车道+4.5 m地方道路行车道；下游幅2×0.44 m(防撞墙)+10 m行车道。桥梁上部构造：2孔净跨80 m双幅式的等截面悬链线钢筋混凝土箱肋拱桥，拱轴系数为2.24；其中上游幅由于增加了一地方车道，故布置了三条肋；下游幅为双肋；所有拱肋高1.5 m，宽2.4 m，均为单箱双室截面；横系梁设计成工字形断面，所有混凝土按照C40的标准建造。

2.2.2 桥梁复合加固方案的提出

用壁可法封闭裂缝来进行对桥梁进行整体加固；对每个主拱圈的单箱双室之间的接缝进行压浆处理，实现主拱圈的加固，以加强结构整体性；采用粘贴碳纤维布增大截面联合加固法，实现拱脚部位的加固。由于主拱圈刚度偏低，拟加厚加固使拱肋提高截面刚度约10%，试算得拱肋加厚厚度为Ah=21.3 cm，为方便施工取Ah=25 cm；拱脚弯矩峰值拟降低约30%，增设每排立柱之间的斜撑及拱肋间横系梁，按构造要求设其尺寸为60 cm×60 cm。采用计算最大受力工况即挂120+恒载工况及粘贴钢板一有粘结预应力复合加固法对盖梁进行加固。在斜截面处应用预应力筋来抗剪实现加固。采取两种方案。方案一：通过钻孔方式将设置销栓锚固装置装置在盖梁正对立柱顶部；方案二：在盖梁处自由端设置体外锚固装置。加固使盖梁斜截面抗剪承载力提高约15%～20%，计算得预应力筋总面积(预应力筋选取西10热处理钢筋)：方案一为Ap=8 007 mm2，取12根总面积以9 420 mm2采取双侧每侧6根对称布置；方案二取20根总面积Ap=15 700 mm2采取双侧每侧10根对称布置。张拉控制按F=0.55 ftyAy控制。粘贴钢板选取厚度为6 mm的16锰钢，以盖梁跨中截面底部混凝土拉应力处于极限状态控制设计，计算得粘贴钢板宽度为b=46.7 cm，取加固宽度b=80 cm与盖梁宽度相同。

3 结语

随着当前国家经济的快速发展，公路桥梁体系作为其核心组成部分，其投资比例越来越大。但同时日趋增多的重型运输车辆对于公路桥梁的结构性能和使用强度等都对公路桥梁体系提出了更加严格的要求。目前常用的加固技术在建筑工程中的研究与应用已经趋于完善，而针对公路桥梁进行复合和综合应用研究才刚刚兴起。本文在公路桥梁常用加固技术对比研究的基础上，针对钢筋混凝土拱桥病害特点对一些复合(联合)加固方法进行了尝试性的研究和应用探讨。

［1］ 堪润水,胡钊芳,帅长斌.公路旧桥加固技术与实例［M］.北京∶人民交通出版社,2012.

［2］ 周建廷.桥梁加固机理及加固准则探讨［J］.重庆交通学院学报, 2011(S1)∶26-28.

［3］ 交通部科学技术情报研究所.旧桥监测、评价、加固技术应用［M］.北京∶人民交通出版社,2009.

［4］ 刘来君,赵小星.桥梁加固设计与施工技术［M］.北京∶人民交通出版社,2014.

U445.7+2

B

1009-7716(2015)08-0053-02

2015-04-18

王维国(1969-)，男，山东荣成人，高级工程师，从事公路工程建设管理工作。