提升结构抗力的拱桥加固技术新方法研究

罗光，张云，杨明

（广西翔路建设有限责任公司，广西南宁 530029）

0 引言

桥梁投入运营以后，随着运营年限的不断增长，桥梁结构会相继出现不同程度的破损、开裂，以及构件老化等现象，丧失了原有的承载能力。尤其在交通运输方式快速发展的今天，公路交通网络不断向西部延伸，提升西部偏远地区的公路运输能力迫在眉睫。在交通量急剧增加的同时，重载车数量也随之大幅增加，对桥梁结构安全、重载行驶的承载能力也提出了更高的要求。随着交通量的增加，拱桥劳损以及病害的出现，加固技术的研究成为必不可少的一部分。同时，在满足恢复或提高其承载力的基础上，保障通行、降低维护费用、简化施工工序、提高施工安全等因素成为加固设计中不可缺少的条件。

1 现阶段国内外拱桥加固方法研究现状与不足

1.1 现阶段我国拱桥加固方法

现阶段我国对拱桥的加固较传统拱桥加固而言，不仅在新技术上进行了研究，更在原有的加固理论下进行了深入挖掘，提出了新的思路和方法，总体可以归为以下几种：

1.1.1 增大截面法

增大截面法即为加大拱圈截面尺寸，并在原拱圈承载能力不足的基础上增加截面的配筋，以提高构件的整体刚度，改善了拱的受力性能。

1.1.2 粘贴法

粘贴法属于增大截面法的一种，其不同之处在于主拱圈下缘受拉超过抗拉极限承载力时，主拱圈受拉侧会产生不同程度的裂缝，导致拱圈承载能力、安全性以及可靠性降低。粘贴法即通过在拱圈受拉侧粘贴钢板等加固材料，增加截面刚度，提高拱圈的承载能力。粘贴法优势在于其加固材料的多重发展，相较于增大截面法，更具有经济适用性。

1.1.3 改变结构体系受力法

改变结构体系受力法是在拱桥上部恒载过大或是拱脚基础承载力不能满足要求时，拱轴线将发生改变，拱脚发生位移或是转动，导致主拱圈的承载能力降低，从而改变拱桥受力状况，减轻上部恒载，调整传力模式，以达到加强效果[1]。

1.1.4 释能法

释能法[2]，同样是改变原桥的结构受力体系，不同于改变结构体系受力法减轻上部恒载，释能法在不干扰拱桥结构的情况下，对拱脚部分进行处理，例如将无铰拱体系转换为平铰拱体系，释放拱脚截面处产生的负弯矩，使得整个拱圈的内力发生重分布，从而可以充分利用主拱圈富余的截面强度，达到提高承载力的效果。释能法的优势在于可以明显缩短拱桥加固工期，保证施工安全，同时不影响交通，节省加固施工费用及材料费用。

1.1.5 增加辅助构件加固法

在主拱圈下部增加拱肋，将新增加拱肋与主拱圈连成一体，共同受力。又或在主拱圈两侧增加拱肋，通过横向联结系与原拱桥结合，提高拱桥承载力[3]。

1.1.6 体外预应力加固法

体外预应力加固法在拱桥加固中分为纵向张拉预应力筋加固和横向张拉预应力筋加固两种方式[4]。若拱桥拱脚存在水平部分侧向位移，可通过在拱脚部位加设锚固点，张拉预应力钢筋或是采用钢筋混凝土拉杆连接两端拱脚，以达到限制位移，提高强度的目的。部分桥梁存在拱上建筑以及侧墙外鼓、外倾现象，沿拱桥横向设置预应力筋同样可以提高桥梁承载能力。

1.2 国外拱桥加固方法研究现状

1.2.1 拱桥加固设计特点

近年来，在发达国家，改造旧拱桥通常加上功能性翻新，根据某种方法，既考虑桥梁的特点、维护和功能需求，又把与修复加强系统涉及到的环境问题考虑进去。

克劳迪奥摩德纳等人于2015年发表文章列举了一系列拱桥加强方法[5]，包括减小负载、增加抗弯抗剪构件、局部加强、预应力体系加固、外贴FRP加固材料以及拆除替换未达标构件法等。

1.2.2 拱桥抗震补强设计

国外早期建设拱桥并未将桥梁等建筑受地震的影响纳入拱桥设计当中，直到80、90年代美国和欧洲才将桥梁抗震写入设计规范[6]。因此针对早期建设的拱桥进行抗震补强设计也被提上日程。针对拱桥抗震加固设计，国外使用的方法主要有加大桥墩截面并加入纵向钢筋、对桥墩截面增加钢护筒、局部构件加强提高动力影响下的力学行为以及加强基础等。

1.3 国内外拱桥加固技术的不足

文中提到的几种加固技术均已积累了丰富的工程实践经验，在拱上建筑加固技术中采用较为普遍的是增大截面、粘贴钢板和灌浆技术等传统方法，若采用的拱桥加固改造方案不合理，结构受力非但不能起到加固效果，反而会出现一些负面效应。比如采用灌浆技术加固对提高桥梁承载力极为有限。再如增大截面法缺点在于，粘贴材料与拱圈材料结合会产生拉压应力，影响加固性能。

2 拱桥结构损伤成因及其影响

2.1 导致在役拱桥承载力不足的主要原因

通过对在役病害拱桥进行调查，结果表明，导致其承载潜力较为不足的主要原因可分为以下三类：一是活载“超载”，即桥梁设计荷载不能满足桥上通行车辆的实际荷载，在目前的钢筋混凝土危桥中这种“超载”较为普遍；二是恒载“超载”，这种情况主要是指既有道路改建过程中在桥梁上一次或多次直接加铺半刚性基层与面层，引起的后期恒载“超载”，相比原设计，部分拱桥拱顶位置填料厚度多出近50cm，这种“超载”情况多存在于圬工或混凝土危旧拱桥中；三是上述两种“超载”形式同时作用的情况。对拱桥采取加固设计时，应首先分析引起拱桥病害和承载潜力不足的原因，针对病害成因采取具体措施，彻底解决拱桥病害和承载潜力不足问题，恢复原有拱桥结构的耐久性能[6-8]。

2.2 拱桥结构损伤的不利影响

拱桥结构损伤的不利影响主要体现在三个方面：一是社会经济的影响。拱桥结构损伤导致桥梁承载力下降，不仅增加行车安全风险，同时影响到道路通行能力，尤其是如今交通量与日俱增，更是无法满足畅通的要求；二是桥梁维护成本增加。首先拱桥的加固技术仍然不够成熟，虽然加固方法多样，但是加固效果不甚理想；其次是不同拱桥的损伤类型、损伤程度不同，需要有针对性地分析后才能“对症下药”，拿出最佳方案，但是往往问题的分析过程是最大的难点；三是加固成本偏高。为桥梁维护带来较大的经济压力。

3 提升结构抗力的拱桥加固新方法

3.1 基本原理及组成

本文的研究目的在于提供一种通过结构补强调节主拱圈内力并提升结构抗力的拱桥加固方法，有助于显著增强主拱圈截面抗力，进一步恢复并提高旧桥的承载能力。如图1a)所示的是正常荷载情况下拱轴位移变形量；图1b)所示的是长期运营在交通量不断增加的过程中即活载不断增加时拱轴位移的情况，此时拱顶下缘与拱脚上缘产生较大的拉应力，导致位移量较大，主拱圈会出现损坏情况；图1c)所示的是通过本文提出的解决方法处理后，在不增加结构荷载的同时增加了拱顶抗力，同时增加了拱脚的承载力，改善并一定程度上恢复了原结构的位移变形，在控制住结构继续损坏的同时改善了结构的整体受力情况，使桥梁能够在较低修复资金投入的情况下继续安全通车。

图1 不同荷载情况下拱轴位移变形量

拱顶区域浇筑一定厚度普通混凝土在提高截面抗力的同时适当增加截面高度；拱顶区域浇筑轻质混凝土对原有拱顶填土进行替换，从而从整体上改善拱桥受力环境。其优势在于，一是增加截面高度提高截面抗力，二是可以有效减轻拱顶荷载，对拱顶内力进行调节，三是相对采用普通混凝土，没有增加额外荷载，有效控制了拱脚上缘负弯矩的增加。在几乎不增加自重的情况下达到增加结构整体高度，增加受压区高度，从而解决拱顶上缘压应力超标和拱脚上缘负弯矩超标问题，还可以起到调节主拱圈内力的作用；拱脚区域上缘增大截面区域有效地增加了截面高度和面积，极大增强了拱脚的抗力。拱脚区域下缘增大截面区域同样是增加截面高度和面积，极大增强拱脚的抗压能力。在增大拱脚截面面积的同时，拱脚自重也会相应增加，能够起到“压拱”的作用，降低拱脚负弯矩的同时减小了拱顶部位的正弯矩；拱顶区域下缘加固层可以采用粘结抗拉强度较高的材料进行加固处理，既可以达到提高结构抗拉强度的效果，又由于材料本身为轻质材料的特性使增加的结构自重可以忽略不计。

3.2 拱桥的加固流程

首先拱顶区域补强钢筋预埋并焊接在原有的拱顶上缘表面，钢筋布置完成以后进行拱顶区域普通混凝土浇筑工作，厚度控制在12cm左右；然后浇筑拱顶区域轻质混凝土，保护层厚度要满足相关规范要求。完成拱顶区域普通混凝土与轻质混凝土的浇筑工作后再进行桥面铺装施工（图2—图4）。

然后进行拱脚区域上缘补强钢筋焊接工作，补强钢筋焊接在原有的拱脚上缘表面，厚度采用三角形渐变式，钢筋布置完成后进行拱脚区域上缘的混凝土浇筑工作，保护层厚度要满足相关规范要求（如图2、图5）。

图2 提升结构抗力的拱桥加固结构示意图

图3 拱顶区域工字型换算主拱圈断面结构示意图

图4 拱顶区域工字型换算主拱圈加固层布置图

图5 拱脚区域工字型换算主拱圈加固层布置图

接着浇筑拱脚区域下缘混凝土，采用喷射混凝土或者现浇等方式均可，需完全包裹住拱脚区域下缘补强钢筋等易腐蚀易生锈结构；若采用喷锚混凝土，其水灰比应为0.45，要保证混凝土向上喷射到指定的厚度，喷射时喷嘴与受喷面之间的距离控制在1m左右，其喷射效果最佳。

最后进行拱顶区域下缘加固层的施工。拱顶区域下缘加固层采用高性能的碳纤维布结合与之配套的树脂浸渍胶粘结于混凝土构件的表面，其中碳纤维材料具有良好的抗拉强度，能够有效提升构件承载能力以及增强构件的强度，或者采用贴钢板的形式亦可。

3.3 技术特点分析

3.3.1 对拱顶的处置

设拱顶为图3中的工字型截面。

（1）在拱顶区域上缘替换掉原有填土，植筋、加厚受力结构，主要为增加结构整体高度，增加受压区高度，从而解决拱顶上缘压应力超标问题。

（2）在拱顶区域下缘（拱顶到1/4跨径附近，以实际计算为准）利用碳纤维布处理，能够有效增加结构抗拉能力。以上处置有两个优点：一是不增加恒载，不会对结构造成额外负担；二是彻底改善截面，大幅度增大拱顶抗力；采用碳纤维布处理，能够有效增加拱圈截面的抗弯、拉的能力。

3.3.2 对拱脚的处理

1/4跨径附近到拱脚，以实际计算为准。

（1）在拱脚区域上缘加厚截面，增加截面高度，增大抗力。

（2）以弯矩零点为分界点，增大拱圈下缘截面，增大抗力。

以上处置的优点是可以增加截面高度和面积，极大增强拱脚的抗力，在增大拱脚截面面积的同时，拱脚自重也会相应增加，能够起到一定的“压拱”作用，减小了拱顶部位的正弯矩，实现调节拱轴压力线的目的，提高了拱顶的截面抗力。

4 工程应用实例分析

4.1 水汶大桥概况

本文以207国道岑溪市水汶镇内水汶大桥为工程实例（图6），该桥由广西壮族自治区林业局林业勘测设计队设计，建于1977年[9]。

桥梁设计为3跨净跨60m，净矢高7.5m，拱轴系数m＝3.5的等截面悬链线空腹式双曲拱。拱圈为5肋4波，重力式桥台，沉井基础重力式桥墩（图7）。桥宽7.8m，桥面为净7m+2×0.25m安全带，旧桥设计荷载为汽-15，拖-80。该桥缺少竣工图，设计资料显示，前期设计阶段采用6m钢钎对桥位进行地质踏勘，确认河床下4.5～5m处为黑砂岩，因此，桥梁墩、台均以黑砂岩为持力层。由于该桥原有的设计荷载已经不能满足南渡至水汶二级公路荷载等级的要求，同时病害较多（图8），因此需要对旧桥进行加固处理，提升桥梁的承载能力，将桥梁承载能力提升至二级公路荷载等级的要求（汽-20、挂-100）。

图6 水汶大桥加固前全景

图7 水汶大桥桥型结构示意图

图8 水汶大桥加固前病害细部照片

4.2 实测拱轴线

采用全站仪对桥梁上、下游两侧拱肋下缘边缘线坐标进行现场实测（图9）。

测得桥梁主拱净跨为60.16m，净矢高为7.49m。将拱底边缘线实测坐标进行24等分，并将各等分线处的净高值进行汇总，如表1所示。

图9 现场测量照片

表1 水汶岸拱底24等分矢高表（单位：m）

表中统计的实测数据显示，在1/4跨处的拱轴线与原设计相比偏差值达16.8cm；桥梁净跨径实测值相比设计值（60.0m）增大了0.16m。

4.3 各施工阶段主拱圈截面抗力验算结果

具体实施步骤按上述过程进行，各施工阶段主拱圈截面抗力验算结果见表2。

表2 各施工阶段主拱圈截面抗力验算表

通过替换拱顶填料、增设加固层和增大拱脚截面处理（图10）后显示，与加固前相比，加固后主拱圈的恒载压力线与拱轴线重合程度更明显。由于受主拱圈矢跨比的影响，其恒载压力线虽然没有达到常规设计“五点重合”的要求，但是达到了“三点重合”（拱顶、1/4跨、3/4跨）的设计效果，改变了现有主拱圈受力形式，为进一步提高桥梁的承载能力奠定了基础。水汶大桥主拱结构通过本文提供的方法有效改善了桥梁的受力特性，提高了旧桥的承载能力，延长了旧桥的使用年限，获得了较好的社会经济效益。

图10 水汶大桥加固过程及加固后细部照片

5 结语

针对主拱圈病害尚不明显的圬工拱桥，应尽量从克服其主要影响因素方面出发，从根本上解决问题，恢复因长期运营过程中活载不断增加导致拱轴线与压力线出现的偏移，让主拱圈在恒载作用下及恒载与主要活载的组合荷载下拱轴线与拱轴压力线再次重合，从而有效解决拱桥主体结构损伤问题，使加固后结构的长期可靠性得到保证。这时采用本文设计的拱桥加固方法将避免不必要的材料和资金浪费，避免消耗不必要的人力物力。

为验证文中设计理念和装置的合理有效性以及解决相应的拱桥损伤病害，已经将该技术应用到位于207国道岑溪市水汶镇水汶大桥的加固处理中。经过本文介绍的方法处理后，大桥的损伤得以修复，大桥降低的承载力得以恢复并有所提高，加固效果较好，可供类似工程参考。