圬工拱桥加固方法

肖辉

【摘要】圬工拱桥作为早期建设的主要桥梁，在经历长期的使用后出现不同程度的损坏，为保证桥梁的继续使用，需要对其进行加固维修，采用套箍方式加固拱圈的加固方法是较常用的加固方法，本文结合实例对该加固方法进行了结构分析，使用的软件是大型的有限元分析软件Marc。

【关键词】桥梁加固；套拱；圬工拱桥；结构分析

1、套拱加固方法计算理论

在原主拱圈外面外包一层钢筋混凝土套箍，与原拱圈共同形成新的拱圈，这种加固方式称为钢筋混凝土套拱加固，此法增大了主拱圈承载力，通过原主拱圈与外包层的协调变形、共同承担荷载，提高了桥梁承载力。套箍加固法主要运用了三个基本原理，原理一：断裂力学机理；原理二：增大受力面理论；原理三：套箍效应。

原理一：断裂力学机理

①加固后，使得裂纹尖端应力强度因子减小很多，仅为原来的一半，这是因为钢筋混凝土外包层使得原主拱圈表面裂缝变为内部裂缝。减弱了裂缝的开裂效果，从而有效地抑制了裂缝的扩展。

②由于套箍层的约束作用，钢筋套箍产生强大的握裹力有效的阻碍了构件的横向变形，减弱了裂纹的开展。

原理二：增大受力面理论

由于设置了钢筋混凝土套箍，使得拱圈的截面面积增大，且混凝土强度高于圬工材料强度，再加上配有足够的纵向及横向钢筋，与原主拱圈共同工作，从而有效地增大了拱圈对于弯矩等外力的承载能力。

原理三：套箍效应

原主拱圈处于单向受压状态，无侧压约束，设置套箍层后，使原拱圈受到三向压力，约束各向裂缝的发展，提高了原主拱圈抗压承载能力。

2、钢筋混凝土套箍加固圬工拱桥的受力机理

钢筋混凝土套箍加固圬工拱桥由钢筋、混凝土和圬工材料三种材料构成。圬工材料抗压能力强，但抗拉能力弱，需要通过其他材料来补足抗拉强度。砌体材料通过植筋的方式与套箍有效地粘接在一起，共同受力，从而提高原构件的承载力。但此时应考虑原结构由于损坏而产生的截面损失。

由于结构在加固前后，加固后的组合结构与原拱圈所承受的荷载各有不同：原拱桥自重由原拱圈单独承担（对于桥面及拱上建筑破损严重的，可予以清除，在荷载计算时则不予考虑）；加固后的所有结构的重力（包括重做的新桥面系）、可变活载则由原拱圈与混凝土套拱组合结构共同承担。对于原主拱圈的受力情况，分别计算加固前主拱圈的受力及加固后主拱圈部分所受力进行叠加即可。具体模型操作是：先计算原结构的永久荷载（被替换掉的结构重力不计），不加后期荷载；再对组合结构进行计算，加入计算可能出现的各种工况（包括温度变化、桥面及基础沉降等可变作用）；然后将这两种情况下的主拱圈的受力进行叠加。

3、套拱加固的截面形式

对于约束混凝土的套箍效应在大偏心荷载作用时减弱较多。再加上拱上建筑的影响，可对部分区段可以采用的“U”型截面来加固拱圈。

4、实例分析

通过对重庆的风景桥及长梗桥采用大型通用有限元分析软件Marc进行了套拱加固的结构方面的分析。由原主拱圈各主要控制点的主应力的数据分析得出各点的弯矩的变化趋势，可以发现加固后：拱脚处于下弯的趋势； 1/8跨的压力线趋于拱轴线位置；1/4跨处于上弯的趋势；跨中处于上弯的趋势。这说明拱脚处截面压力作用线趋近于拱轴线，跨中处截面压力作用线偏离拱轴线。压力作用线越趋近于拱轴线则截面弯矩越小，越偏离则截面弯矩越大。

根据实腹式悬链线拱轴计算图式可知，由于套箍加固，在拱圈的下缘加固拱圈，这样组合结构使原拱轴线下移，可知原来在 /4点处的弯矩零点向拱脚靠近，拱脚附近拱轴线偏心减小，而拱顶区域偏心较大。对于拱桥一般在拱脚处比其他地方受力要大，可考虑通过减小拱脚处的应力，增大跨中截面的应力来均衡拱圈的应力。由上面的实例分析可知弯矩零点向拱脚靠近，使得拱脚处的压力偏心变小，降低了拱脚的弯矩，使拱脚更安全些。相应的由于拱轴线下移，导致两端 /4跨点之间（即中部截面）的截面正弯矩变大，但中部截面的拱圈的承载力均有一定的富余，又由于在拱圈下方设置了钢筋混凝土套拱，钢筋对于正弯矩有很好的抵抗能力，并且使得原拱圈大部分截面受壓。由此可知，套拱加固可以使原拱圈的受力更合理，充分利用原拱圈的材料，提高拱圈的承载力。

5、套拱加固的缺点

套拱加固拱圈主要有四个缺点：一、损坏原拱圈。要保证套拱与原拱圈协同受力，则必须这两个构件连接牢固，连接方式可采用植筋的形式，这就需要在原拱圈上钻孔，对原拱圈有结构上的损失，特别是对于一些风化严重的拱圈将可能导致拱圈的损坏。二、压缩河道，影响排水及通航。套拱的设置占用了桥下净空，对一些通航及排水要求严格桥梁将不适用。三、支架架设不便。套拱制作时需要支架来支撑，对于跨越深谷，深水以及交通繁忙的桥梁架设支架则相当的麻烦。四、增大基础负重。套拱的重量也是要基础来承担的，这对于原基础来说是额外的负重，需验算基础的承载力，如承载力不足，则同样需加固基础，增大工程量，且有可能压缩河道，影响排水及通航。

6、小结

套拱方法加固拱圈明显地提高了拱圈的承载力和耐久性，并且不影响桥梁的美观。但是此法对不同的桥有不同的适用性。

参考文献

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