增大截面法在拱桥加固中的应用

赵铭伟

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

近20年，我国经济发展迅速，国民经济增长迅速，交通流量呈直线增长，车辆集度及车辆承重增幅明显，为原有交通基建设施带来较大压力，桥梁受损成为一个严重问题。近10年的桥梁项目表明，新建工程数量呈递减趋势，对现役桥梁养护和加固成为主流，节省成本、对交通影响较小，加固已建桥梁较新建桥梁而言优势明显[1]。除病害原因外，部分拱桥按原技术标准进行修建，标准偏低，已无法承担现在的交通压力，故需采取加固措施改造原桥。拱桥类型具有多样性，桥梁病害多种多样，其受害程度、受害部位、形成原因、对结构的影响等不同，导致加固方案的不同，选取加固方法时应灵活处理[2]。常用现役拱桥的加固方法主要有增大截面法、粘贴加固法、调整主拱圈内力加固法、改动结构体系加固方法等。本文根据公路桥梁技术状况评定标准（JTG/T H21—2011）[3]，公路桥涵养护规范（JTG/H11—2004）[4]，以及公路桥梁加固设计规范（JTG/T J22—2008）[5]，对某实桥进行加固，采用增大截面法，基于有限元仿真计算分析，确保加固方案的合理性，相信对今后现役拱桥的加固具备一定的参考价值。

1 增大截面法

1.1 基本假设

增大截面法的使用前提有如下假设[6]：

a）假设加固层与原桥结构之间具有良好的黏结性，可靠度高，可保证在应力未达到峰值情况下，加固层和旧结构可共同工作。

b）加固后，平截面假设仍然满足。

c）受压作用时仅考虑混凝土承受压力，忽略钢筋受压，将其作为加固后结构的安全储备。

1.2 计算

根据工程概况，该实桥主拱圈为等截面拱，因此拱圈加固厚度d的确定如式（1）：

式中：m为矢跨比系数；k为负载因子；L0为跨径。根据公路桥梁加固设计规范（JTG/T J22—2008）[5]，截面图如图1所示，进行加固后主拱圈承载能力计算，其加固后正截面承载力如式（2）：

图1 抗弯承载力计算简图

图 1 中，F1=fsd1A's1、F2=fsd1As1、F3=σs2As2、M=γ0Md.

2 工程实例分析

2.1 工程概况

某旧桥工程概况如下：该拱桥主拱净跨径为120 m，主拱圈为单箱多室，如图2所示。拱轴线线型为悬链线，拱轴系数m为1.390 8，净矢跨比为1/6。在桥梁两侧分别设置引桥，引桥采用跨径为20 m的简支T梁，梁高为1.3 m，一共设置7跨。桥梁总长270 m，拱上建筑采用空腹式简支空心板，空心板跨径为10 m，梁高0.8 m，桥梁宽度为2.5 m人行道（包括护栏）+4.25 m（车行道）+4.25 m（车行道）+2.5 m人行道（包括护栏），桥梁纵向设置1.0%的纵坡，横向设置2%的双向横坡。该桥采用缆索吊装施工，于1973年建成，工程总体概况如图3所示，本文主要考虑拱桥部分的加固处理。初始设计汽车荷载定为汽-15级，挂车-80级。2014年经检测评估，最终将该桥评为四类危桥。据检测报告，列出其主要病害:主拱圈拱脚位置至1/4跨径段出现裂缝，裂缝形成导致钢筋锈蚀严重；拱上建筑裂缝数量众多；桥面铺装磨损严重；桥面栏杆出现撞坏缺失问题。

图2 主拱圈截面示意图（单位：cm）

图3 工程总体概况图（单位：cm）

2.2 加固方案

根据加固相关要求，拟定加固后荷载为公路-Ⅱ级。按该要求计算，旧桥横梁、拱上立柱、纵梁等拱上建筑以及主要受力部位主拱圈均无法满足现有要求，其承载力与要求差距甚远。故加固需首先拆除原桥拱上建筑，再采用增大截面法对主拱圈进行下缘加固，加固主拱圈时先对锈蚀钢筋进行处理。主拱圈加固完成后，进行拱上建筑的修建，即完成加固项目。

为保证施工质量，应严格执行下列施工步骤，以加强施工质量：

a）搭建支架，完成后进行拱上建筑的拆除，拆除完毕，将主拱圈清理干净。

b）布置脚手架，凿毛主拱圈拱腹及两侧表层，完成后进行表面清洁。

c）待表面干燥后，布置绑扎加固层钢筋，并利用模板将钢筋网焊接固定。

d）浇筑牛腿钢筋混凝土，达到一定强度后，再采用整体浇筑的方法进行拱腹混凝土加固层的浇筑，其操作流程：拱脚→拱圈1/4截面的对称浇筑方式。

e）根据施工技术规范严格施工，确保混凝土养护质量，避免混凝土在拆模后出现蜂窝麻面、空洞、孔洞等现象。主拱施工完成后，再浇筑立柱等，最后桥面铺装，护栏安装，完成项目建设。加固完成后工程概况如图4所示。

图4 加固后工程总体概况图（单位：cm）

2.3 有限元分析

为确保加固方案的可行性，通过Midas Civil 2012软件对加固后桥梁进行模拟并做受力评估，确保其可行性。拱桥建模过程中，为避免全桥模型建立时的复杂性，首先将梁格法在铰接板中的运用进行说明，然后再建立全桥模型。取桥面板中的一跨进行分析，按照简支铰接板建模，由于篇幅原因，其建模过程和建模要点在本文中不详述。模型材料参数取值依据《公路圬工桥涵设计规范》[2]中相关规定。

主拱圈的计算跨径为121.2 m，在excel表格中根据拱轴系数m值得到拱轴线一系列的坐标值，取这些坐标为沿x方向每增加1，所对应的y值。整个拱圈有123个坐标值，将这些坐标值导入AutoCAD绘出拱轴线。然后将拱轴线从AutoCAD导入Midas Civil 2012。此时拱圈划分的单元为：两边拱脚各划分一个拱轴线长度为0.733 34 m的单元，其余按照拱轴线沿x方向每增加1，其对应的长度进行划分，但在拱上立柱与主拱圈连接的地方需有节点，但由于上述方法划分单元时恰好拱上立柱与主拱圈连接的地方所需节点与上述部分节点重合。因此主拱圈共计划分为122个梁单元，整个拱桥一共划分为303个单元。最后的有限元模型如图5所示。

图5 拱桥有限元模型图

2.4 结果分析

将加固前计算结果与加固后计算结果进行对比分析，其截面强度对比以及桥梁整体“强度-稳定”对比分析见表1、表2。表1为主拱圈在公路-Ⅱ级荷载作用、最不利工况下，加固前、后最不利截面（拱脚、L/4 、3L/8、拱顶[6]，因结构对称性，故考虑 4 个截面即可）的内力以及承载力计算结果。表3为加固前、后跨中挠度对比。

表1 旧桥加固前、后最不利截面强度验算

表2 旧桥加固前、后整体“强度-稳定”验算

表3 加固前、后跨中最大挠度

基于增大截面法对拱桥进行主拱圈加固，截面的增大，拱桥恒载也相应有所增加，因此加固后拱桥的轴力设计值较加固前应有所增加，由表1、表2得，轴力增幅均在30%以上。另一方面，主拱圈截面的增大，导致结构抗力也会相应增加，最终加固后结构的轴力不会超过抗力，满足承载要求；由表1还可以看出结构拱脚处抗力严重不足，完全无法承担交通压力，加固后增幅极其明显。整体而言，采用增大截面法加固前、后，在最不利荷载工况下，拱脚、L/4、3L/8、拱顶4个最不利截面的轴力提高的同时，主拱圈的抗力同样有较大增幅，加固后值有显著增加，表明承载能力得到明显改善，并且提高了桥梁结构主拱圈的安全储备；从整体“强度-稳定”性方面进行评估，如表2所示，同样得到较大改善，并且加固后值有较明显增幅，其承载能力储备也有所提高。综上所述，从受力性能进行评估加固后主拱圈的承载能力，结果表明加固有效。

从刚度对加固后主拱圈进行评估，由表3可得，通过加固前后跨中最大挠度进行对比评估分析，加固后主拱圈跨中最大挠度有明显改善，加固后最大挠度降低21.2%，主拱圈的刚度得到显著提高。

通过强度、刚度、稳定性三方面分别对采用增大截面法加固后拱桥主拱圈的性能进行评估，结果表明其承载力增幅明显，能有效提高桥梁结构整体承载力。

3 结论

本文采用增大截面法进行拱桥加固效果明显。加固后，主拱圈受力情况得到调整优化，其强度、刚度、稳定性得到大幅度提高，主拱圈跨中最大挠度得到明显改善。从前期的加固设计到施工整个过程中可以看到，增大截面法对拱桥的加固效果极其显著，施工简单，工期短，所以工程造价较低，是一种值得推广的拱桥加固技术手段，希望本文对今后服役拱桥的加固具有一定的参考价值。