空腹式钢筋混凝土拱桥拓宽加固新方法

庄家智，毛久群

(1.重庆市设计院， 重庆　400015； 2.重庆能源职业学院， 重庆　402260)



空腹式钢筋混凝土拱桥拓宽加固新方法

庄家智1，毛久群2

(1.重庆市设计院， 重庆400015； 2.重庆能源职业学院， 重庆402260)

摘要：针对空腹式钢筋混凝土拱桥拱上建筑存在严重病害且需要拓宽加固的情况，探讨一种将拱式腹孔改为梁式腹孔的加固措施。以重庆彭水乌江空腹式钢筋混凝土拱桥为依托，分析、比较采用该方法加固前后拱脚、1/4L截面、拱顶截面的力学特性，并阐述其主要施工步骤。

关键词：钢筋混凝土拱桥；拓宽加固；拱上建筑；应力

目前，我国早期修建的相当数量的空腹式钢筋混凝土拱桥已出现了不同程度的老化和损坏[1]，其中相当一部分桥梁已不能满足现有通行及承载能力等要求[2]，必须进行维修改造或拓宽加固以消除安全隐患，满足桥梁使用要求。本文针对空腹式钢筋混凝土拱桥存在严重病害且需要拓宽加固的情况，探讨一种将拱式腹孔改为梁式腹孔的加固方法。该方法通过减轻拱上建筑重量来降低主拱圈的应力水平，对主拱圈进行局部加强并改善其内力分布，以从根本上解决目前拱上建筑和桥面系的诸多病害，改善桥面的通行条件及人行道的通行能力。该方法已成功运用于重庆彭水乌江空腹式钢筋混凝土拱桥，并取得了良好的社会和经济效益。本文以该桥为依托，分析、比较采用该方法加固前后拱脚、1/4L截面、拱顶截面的力学特性，介绍该方法的主要施工步骤，以期对同类桥梁的维修和拓宽加固提供参考。

1桥梁病害状况

1.1工程概况

重庆彭水乌江空腹式钢筋混凝土拱桥于1974年5月建成通车，上世纪90年代对桥道系进行了局部改造。该桥全长275.40 m，桥面净宽9 m(净7 m(车行道)+2×1.0 m(人行道))。主桥上部结构为2孔跨径100 m、矢跨比1/7的预制吊装箱形拱(5段吊装)，下部结构为扩大基础实体墩台。桥梁总体布置如图1所示。

1.2现场病害调查

对重庆彭水乌江空腹式钢筋混凝土拱桥进行了现场病害调查，调查结果表明，乌江空腹式钢筋混凝土拱桥主拱多处出现混凝土泛白；保护层薄弱处钢筋锈蚀膨胀，致使局部保护层混凝土被胀裂脱落，纵向钢筋外露；拱圈未发现明显裂缝。由于石料风化及后期超负荷等原因，导致石砌拱上建筑病害严重，即：腹拱圈出现不同程度的横向裂缝，裂缝宽1～8 mm，如图2所示；拱上横墙(立柱)受雨水冲刷，渗水严重；由于横墙(立柱)抗剪能力不足以承受腹拱水平推力，造成部分拱上横墙(立柱)出现纵向错动、偏位，砂浆砌缝出现不同程度脱落。外观检查、特殊检查及荷载试验测试结果表明，该桥目前总体工作状态较差，腹拱圈在荷载作用下挠度变形过大，不满足使用要求。因此，必须对拱上横墙(立柱)进行彻底修补和加固处理，以加强其刚度，提高结构的整体工作性能。

图1　桥梁总体布置

图2　腹拱风化及纵横向裂缝

2加固方案

为提高重庆彭水乌江空腹式钢筋混凝土拱桥的极限承载能力和结构的整体性，根治主要病害，制定了如下加固方案：拆除原有桥面系、原有腹拱结构和横墙，新建钢筋混凝土梁式腹孔及桥面系，且人行道加宽至2 m。采用该处治措施后，拱上建筑重量减少，从而可减少桥梁主拱的负载，提高桥梁活载通行能力。

该桥加宽总体布置见图3。将原石砌拱式拱上建筑改建为钢筋混凝土梁式拱上建筑。人行道加宽后，桥面布置为：净7 m(车行道)+2×2.0 m(人行道)。

3力学特性分析

为验证上诉加固方案是否安全、可行，对桥梁加固前后的受力状态进行了模拟分析，并用桥梁博士3.0进行计算。由于旧危桥存在病害，致使结构内部的内力与原设计状态不同，因此进行有限元分析时应按实际情况建立适当的有限元模型来反映病害对重庆彭水乌江空腹式钢筋混凝土拱桥结构受力的影响[3]。模型参数处理如下。

1) 拱轴线变形影响。由于主拱圈的变形使得拱轴线与设计拱轴线存在较大偏离，其对主拱圈的受力会产生很大影响，因此应按实测拱轴线建模[6]。

2) 加固前腹拱圈开裂及破损影响。根据列分统计和石砌腹拱风化情况统计数据，对腹拱圈的弹性模量进行适当折减。

3) 主拱圈病害影响。由于主拱圈并未发现明显裂缝，故建模过程中仅对主拱圈混凝土强度轻微折减，不对其弹性模量进行折减。

加固前后桥梁有限元模型如图4所示。

图3　加固后桥梁总体构造

图4　桥梁有限元模型

设计荷载考虑以下3个荷载工况。

荷载组合Ⅰ：恒载+汽-20+人群。

荷载组合Ⅱ：恒载+汽-20+人群+温度。

荷载组合Ⅲ：恒载+挂-100。

本文用Rn表示结构抗力，Nj表示结构内力，效应值n=Rn/Nj，Rn与Nj的比值越大则表示结构越安全。重庆彭水乌江空腹式钢筋混凝土拱桥加固前后Rn/Nj比较如表1所示。

表1　重庆彭水乌江空腹式钢筋混凝土

注：L为桥梁计算跨径。

经模型分析，发现采用该方法改造拱上建筑结构后，原拱上建筑重量减轻了约25%，对主拱圈具有减载作用。

同时，由表1可以看出，除拱顶截面在荷载组合Ⅲ下加固后n值有所下降外，其他截面都呈上升趋势，说明加固后结构的可靠性增加；加固后拱顶截面在荷载组合Ⅲ下n值虽有所下降但值均大于2，说明结构有足够的富裕度；在拱脚部位，解决了在荷载组合Ⅰ及Ⅱ下原桥承载能力不足的问题。

综上所述 ，原桥具有严重病害的拱上建筑被钢筋混凝土简支腹孔取代后，从根本上解决了目前拱上建筑和桥面系的诸多病害。

4主要施工步骤

4.1主拱圈病害处理

为保障施工时桥体结构和施工人员的安全，保证加固效果达到预期目标，在对该桥主拱圈进行病害处理时，采取全桥封闭方式施工[5]。在拱上建筑改造前，先对主拱圈的局部病害作如下处理。

1) 对于结构表面存在的蜂窝、麻面、混凝土剥落、掉块、缺损、凹陷等缺陷，首先将缺陷部位表层的松散混凝土全部凿除，露出新鲜混凝土，然后对缺陷部位的外露钢筋进行人工除锈，并将混凝土表面清理干净，用环氧混凝土(或环氧砂浆)对缺陷部位进行修补[6]。

2) 将拱背上滋生的杂草、灌木进行彻底清理。

4.2拱上建筑改造的主要施工步骤

根据重庆彭水乌江空腹式钢筋混凝土拱桥病害及实际受力状况，结合计算分析及施工工艺要求，加固施工时应严格按以下步骤进行，且每个步骤中必须遵循对称原则[7]。

第1步：依次拆除原桥栏杆、路缘石、人行道板、桥面铺装。

第2步：依次拆除原桥拱式腹孔。

第3步：依次拆除原桥立墙并对主拱进行修补。

第4步：设计顺序浇筑垫墙。

第5步：浇筑拱上立柱至盖梁底面。

第6步：安装盖梁。

第7步：安装行车道板。

第8步：安装栏杆、路缘石、人行道板，施工桥面铺装、排水设施及其它附属设施。

进行各构件各部位加固前，应对加固面的缺陷和破损进行修复[8]。

5结束语

本文针对拱上建筑病害严重、整体性能差，且需拓宽加固的空腹式钢筋混凝土拱桥，探讨一种将拱式腹孔改为钢筋混凝土梁式腹孔的方法，并用桥梁博士3.0进行有限元分析，验证了其安全性和可行性。采用该方法对重庆彭水乌江空腹式钢筋混凝土拱桥进行彻底改造，从而可从根本上解决目前拱上建筑和桥面系的诸多病害，显著改善桥面的通行条件及人行道的通行能力，且无耐久性隐患。

该方法在重庆彭水乌江空腹式钢筋混凝土拱桥中的成功应用可为同类桥梁拓宽加固提供参考。

参 考 文 献

[1]邢秀清．石拱桥常见桥型与病害分析[J]．山西建筑，2010，36(2)：334-335．

[2]云岭，蒙云．粘贴钢板法在石拱桥加固中的应用[J]．重庆交通大学学报，2007，23(增)：22-24.

[3]周志祥，贺鹏，赵灿晖．大跨度双曲拱桥维修加固研究[J]．重庆交通学院学报，2004，23(3)：1-4．

[4]蒙云，卢波．桥梁加固与改造[M].北京：人民交通出版社，2005．

[5]HINDOKR．In2place Bond Testing and Surface Preparation of Concrete[J]．Concrete International，1990(4)：46-48．

[6]AUSTINS，ROBINSP，PANYG．Tensile Bond Testing of Concrete Repairs[J]．Material and Structures，1995，28(3)：249-259．

[7]顾安邦，范立础．桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，1999．

[8]廖碧海，王国鼎．拱桥加固新方法的研究及应用[J]．公路，2006(10)：34-36．

New Method for Widening and Reinforcing Hollow Reinforced Concrete Arch Bridges

ZHUANG Jiazhi1, MAO Jiuqun2

Abstract:In allusion to serious diseases in architectures on hollow reinforced concrete arch bridges and the need of widening and reinforcing, this paper probes into a reinforcing measure that modifies arch gastropores into beam gastropores. Dependent on Wujiang River Hollow Reinforced Concrete Arch Bridge in Pengshui, Chongqing, this paper analyzes and compares the mechanical characteristics of front and rear arch supports, 1/4L cross section and arch crown section reinforced in this method, and expatiates main construction steps.

Keywords:reinforced concrete arch bridge; widening and reinforcing; architecture on arch; stress

文章编号：1009-6477(2016)01-0090-04

中图分类号：U448.22

文献标识码：B

作者简介：庄家智(1983-)，男，重庆市人，硕士，工程师。

收稿日期：2015-07-15

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.020