拱桥加固及改造方法研究★

冯良勇

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 概述

随着现代交通运输行业的发展，大吨位车辆和交通量不断增加，对桥梁结构的承载性能提出越来越高的要求。然而我省拱桥大部分建于20世纪50年代～80年代，设计荷载标准偏低，并且已经运营数十年，再加上超载、超限车辆日益增多，大批拱桥技术状况已经不能满足行车安全和日益增长的交通量需求[1]。对于这些承载性能不满足需求的拱桥，可通过两种方式处理：一是拆除重建；二是采取适当的加固措施，恢复并提高桥梁承载能力，以适应当前的交通运输需求[2]。

我省危桥数目中拱桥在桥梁总数中已经占据一定比例，并且随着日益增长的交通量和车辆载重，越来越多的桥梁加入到危桥行列，对这些危旧拱桥一律予以拆除重建是不科学的，也是不现实的。国内外资料表明[3-6]，旧桥的加固改造与拆除重建相比更经济，不但可以节省大量的资源，而且产生良好的经济、社会和环境效益，对恢复、提高危桥的承载能力及通行能力，延长拱桥的使用寿命以满足现代交通运输的需求是切实可行的，且对于维护公路交通正常运营、保证沿线地区经济发展等具有积极意义。

2 拱桥病害及原因

通过对辽宁省以往拱桥检测报告分析和现场调研等方式，总结我省公路拱桥的病害情况，并分析不同病害产生的原因以及病害对桥梁受力性能的影响，明确病害对结构受力性能的危害性。

拱桥主拱圈主要病害形式为裂缝，其产生主要原因为:

1)缺乏保护主拱圈整体性的措施，当桥台产生位移和沉降时，加大了拱顶正弯矩和拱脚剪力，从而产生了拱顶法向拉应力、拱脚剪应力。当它们超过极限应力值时，裂缝就产生了。

2)波顶本身就是薄弱截面，再加上混凝土的收缩，所以容易产生裂缝。

3)由于横向联系不够，构件刚度小，拱肋挠度过大或者发生一定程度的扭转就很容易造成波顶的开裂。

拱桥腹拱圈主要病害形式为裂缝，其产生主要原因为:

1)腹拱基本全部为预制构件，在拱角处并没有设置铰，这就使得在结构受到荷载、温度变形、混凝土收缩的情况时，在腹拱就产生了较大的内力，从而引起了开裂。

2)温度变化，混凝土收缩使得主拱圈产生横向的不均匀变形，从而使腹拱墩台产生不均匀沉降，导致腹拱的环向开裂。

拱桥侧墙主要病害形式为侧墙鼓胀外倾、竖向开裂及侧墙与主拱圈结合面脱裂和水平开裂等病害，其产生主要原因为:

1)排水不畅造成的，填料里汇聚了大量的水分，所以就向外鼓胀。

2)主拱圈在荷载作用下变形造成的，再加上腹拱圈未设变形缝，引起腹拱墩顶侧墙开裂。

3)侧墙与后台侧墙之间未留变形缝造成的。

3 拱桥加固方法及使用周期

拱桥常用的加固方法包含锚喷混凝土法、增大拱肋法、增设拱肋法等。本文针对拱桥常用加固方法进行了实地调研，共调研加固后桥梁30余座。按照加固时间的不同，每种加固方法均有7座以上桥梁，便于后续加固效果的分析。

3.1 各加固方法评定标准

按照加固后拱桥的表观状态，并参考《公路桥梁技术状况评定标准》中桥梁总体技术状况评定等级和主要部件技术状况评定标度，将通过不同加固方法加固后的缺损状态分为5个程度相应5个标度，不同程度状况描述见表1～表3。

表1 锚喷混凝土法桥梁状态评定标准

表2 增大拱肋法桥梁状态评定标准

表3 增设拱肋法桥梁状态评定标准

3.2 各加固方法效果

3.2.1 锚喷混凝土法

通过对锚喷混凝土法加固拱桥的调研，对各桥梁加固状态按表1的标准进行系统分析，得出使用时间与该加固方法加固效果好坏程度的直方图，见图1。

由图1可以看出，锚喷混凝土法加固后的拱桥使用3 a后，已经处于中等破损状态，说明该加固法存在其自身的缺陷，特别是混凝土开裂严重影响了加固的耐久性，有效使用期较短。

3.2.2 增大拱肋法

通过对增大拱肋法加固拱桥的调研。对各桥梁加固状态按表2的标准进行系统分析，得出使用时间与该加固方法加固效果好坏程度的直方图，见图2。

在同样采用增大拱肋截面法进行加固后，拱桥运营了6 a～7 a拱肋很少出现环向裂缝，但肋板拱仅仅运营3 a便出现了大量的拱肋环向裂缝，这样的病害在同年加固的黑水河桥(肋板拱)中也大量存在。

通过以上分析可以说明，增大拱肋截面法在拱桥加固中效果较为明显，目前加固过的拱桥未发现明显结构性病害，应用前景广泛。至于该方法在肋板拱中的应用，短时间内环向裂缝病害突出，严重影响了加固的耐久性。

3.2.3 增设拱肋法

通过对增设拱肋法加固拱桥的调研，对各桥梁加固状态按表3的标准进行系统分析，得出使用时间与该加固方法加固效果好坏程度的直方图，见图3。

增设钢筋混凝土拱肋法是最近两年新采用的加固方法，本次共调研7座使用该方法加固的拱桥。由图3可以看出，增设钢筋混凝土拱肋法加固后的拱桥使用4 a后的桥梁处于轻微缺损状态。从调研中可以发现，只要新增拱肋与原拱圈连接牢靠，可充分发挥新增拱肋的作用，且该方法可大大提升石板拱的承载能力，应用前景广泛。

4 结语

通过对辽宁省内拱桥加固后现状的调研，对比分析常用加固方法的加固效果，针对性地提出评价指标，在此基础上，建立拱桥加固及改造技术应用后评价方法，以便更为合理有效地对加固效果进行评价，为拱桥加固及改造工程方法选取提供参考，降低拱桥加固、维修成本，为桥梁管理部门提出拱桥加固后评价依据，节约养护资金。

1)锚喷混凝土法加固后的拱桥使用3 a后，已经出现破损状态，说明该加固法存在其自身的缺陷，特别是混凝土开裂严重影响了加固的耐久性，有效使用期较短。

2)增大拱肋法在肋板拱中的应用，短时间内环向裂缝病害突出，影响了加固的耐久性。

3)从作用原理上讲，增设钢筋混凝土拱肋法充分利用了混凝土抗压性能，当新增拱肋与原结构连接牢靠时，可以较大幅度的提高原拱桥的承载能力，应用前景广泛。