下承式体外系杆拱桥的加固方法及应用

冯广全

（江门市蓬江区地方公路养护中心 广东 江门 529030）

1 概述

随着国家经济的日益增长，车辆交通量也随之增长、车流密度与载重量日益剧增，既有的公路桥梁承受荷载也随之增加，现已出现部分的既有桥梁无法满足现代车载重的承载力与安全使用的要求，因此，采用合理可行的措施对既有桥梁结构进行加固改造以适应现行通行能力是解决桥梁结构问题的最佳方法。随着桥梁使用年限增长，公路桥梁在重荷载的反复作用下损坏的数量逐年增加，对于各类老化或损坏的公路桥梁维修加固保养已成为管养单位关注与待解决的问题，下面就既有公路桥梁尤其是系杆拱桥的维修加固方法进行论述。

2 系杆拱桥的加固方法

公路桥梁的加固常规是通过对主要受力结构的补强与改善结构性能来提升或恢复既有桥梁的承载力，以达到延长桥梁的使用寿命，适应现代经济发展带来的交通压力的需求。常采用的方法是提升桥梁的结构承载力、抗剪和抗弯、荷载级数等，此类方法也是最简单、快速、安全、经济和实用的加固措施。一般而言，桥梁上部结构加固方法从加固原理和适用特点上可分为：改变结构受力体系、增加辅助构件、增大构件截面、外加预应力体系和增补加劲材料；下部结构加固方法为：加强薄弱构件、加固桥墩、桥台及承台桩基等。桥梁加固的原则是通过加固维修改造后相比拆除重建的桥梁结构的承载力、安全性能以及耐久性更能满足现代交通的使用要求，桥梁加固后的下部结构更具有足够的潜力[1]，且节省建筑材料与投资造价，具有明显的经济和社会效益。

系杆拱桥桥梁的维修加固方法一般为[2]：

2.1 主拱圈、拱肋增配筋浇混凝土，增大截面加固法

当桥梁的梁体结构的钢筋混凝土刚度、强度、抗弯拉和抗开裂等性能不足时，通过增加配筋和浇筑混凝土以增大梁体的截面，从而提高了桥梁主梁的受力截面，增加了梁体的抗弯截面高度，新旧结合的钢筋混凝土梁体结构共同承受了桥面承受的荷载。此方法也广泛适用于梁桥及拱桥拱圈、拱肋的加固，以拱腹面或拱背面增大截面的方法加厚拱脚段或新增钢筋混凝土衬砌。为了使得被加固的桥梁除了可以承受自身的重量，还可以更多地提高车载的承载力，常规都是以加大桥梁面板的截面或增大主梁肋板的宽度为主要加固方法[3]。

2.2 拱桥拱圈加固-钢板箍与锚栓锚固法

拱桥可以在拱圈的最大受力点跨中或次受力点1/4 以外增设3 道或多道的U 型钢板箍或者钢拉杆，同时在拱底以及拱侧对钢板箍或者钢拉杆采用螺栓进行钻孔锚固，钢板箍或者钢拉杆同时采用锚固凝胶与拱面混凝土进行粘贴凝固。此方法常用在要求不破坏桥梁结构或需正常通车的交通情况的拱桥加固。

2.3 粘贴钢板加固法或粘贴纤维布加固法

粘贴钢板加固法是通过高强化学黏结凝剂将钢板直接粘贴在桥梁结构的受拉区及结构薄弱区的混凝土面上，使得桥梁混凝土结构与钢板整体受力，改善了既有桥梁的钢筋混凝土结构的受力状态，通过两者的共同作用，阻止了裂缝病害的继续发展，增加了桥梁结构的刚度、强度、延性，提升了桥梁的承载力。粘贴纤维布（FRP）加固法是应用专业配置树脂或浸渍树脂将高强度、高弹性模量的纤维复合材料沿着桥梁结构的受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在桥梁混凝土构件上，使之与原构件形成整体共同受力，增大结构抗拉或抗剪能力，提高强度、刚度、抗裂性和结构延性。这类方法能够弥补原结构构件的强度不足，提高结构的抗拉、抗剪能力，对结构的抗裂性和延性都可以加强，同时又能抑制裂缝的扩展，并可改善钢筋与混凝土的应力状况。对纵、横梁节点及拱脚节点裂缝，简便的方法就是粘贴块状钢板或纤维复合材料。

2.4 预应力加固法

针对桥梁受拉应力区结构，采用外加预应力进行加固以抵消桥梁部分的自重和外载力，进而大幅度地提升既有桥梁的承载力，此类维修加固方法适用于要求提高承载力、刚度和抗裂性以及加固后所占空间小的桥梁。可分为预应力拉杆加固和预应力撑杆加固，其中预应力拉杆加固主要应用于受弯构件，以梁身为锚固体，通过预应力张拉对梁的受拉区域施加外力，以抵消结构本身的自重，减少车辆荷载作用下的应力，能够减少梁体出现过多的裂缝特别是梁底部横向裂缝，以及减小裂缝宽度。预应力撑杆加固主要用于桥梁下部结构的轴心受压墩柱，但在实践中桥梁墩柱加固很少采用此方法。

2.5 吊杆或系杆加固法

对于拱桥吊杆或系杆滑丝、锚固头松动的情形，在施工条件允许的时候，采取紧固丝头或预张打紧锚固头来调整吊杆或系杆的拉应力，柔性吊杆常规采用螺母型锚头，可以采取松张加钢板垫片紧固松动的锚头，系杆若是夹片型则采用千斤顶补拉锚紧。对于严重锈蚀、断丝或无施工条件的，可以通过预留孔道换杆或在无预留孔道的情况下采取辅助措施进行换杆。对于吊杆达到使用年限的也可全部更换吊杆[4]。

2.6 桥面植筋补强加固法

采取桥面加厚钢筋混凝土结构层，基本是通过植入的钢筋与新铺钢筋网共同抵抗桥梁受弯所引起的剪切应力，达到增强既有桥梁的主梁受力有效截面，进而提升既有桥梁的承载力，此类加固方法常用于高等级道路桥梁在主梁承载力下降或桥面铺装破坏严重以及需调整桥面标高的情况。

2.7 水下植筋包桩法

在不压缩过水断面、不影响通航的前提下，采用水下桩基包桩法增大桩基截面积来达到加固桩基的目的，即通过水下植筋将新增结构与原结构连接成整体，提高桩身混凝土耐久性，同时也将混凝土护筒下端受损部位桩身予以修复。通过在水下对原桩基增大截面，增大了桩径，实现了对原桥桩基的修复，同时也有效抑制桩基病害的发生。

3 工程应用实例

某桥建成于1999 年8 月，为一座下承式体外系杆拱桥，主桥上部为3 跨110m 下承式体外系杆拱，拱的推力由两端锚固在桥墩上系杆承受，自平衡体系，主拱拱肋顶段采用单箱单室结构，两拱脚处由单肋分叉为双肢拱肋，拱肋嵌入桥墩，形成无肋拱；主桥下部为空心矩形墩，钻孔灌注桩基础。设计荷载为汽-20、挂-100。该桥加固前建成通车服役近16 年。随着当地经济的快速增长和交通量、车辆载重日益剧增，既有桥梁的主要受力结构发生不同程度的损伤，通过技术等级评定为四类桥梁，因此需对此桥进行维修加固改造来恢复和提升大桥结构承载力，以保证桥梁的安全性及耐久性，使桥梁发挥正常的使用功能。

3.1 主桥状况

从检查结果看，大桥主桥技术状况等级评定为四类，大桥拱肋及其他部件状况较差，主要病害有：

（1）拱脚表层的混凝土出现大面积脱落与破损，拱肋靠近拱脚部位的上缘与拱侧都出现了不同深度的裂缝、露筋及钢筋锈蚀，或者是混凝土边角破烂掉落造成拱肋主筋外露锈蚀。

（2）拱脚与墩帽固结处出现较大开裂。

（3）吊杆普遍存在大面积的露筋锈蚀、胀裂等；其上锚固端拱肋横梁均出现竖向、斜向裂缝。

（4）吊杆横梁存在多处混凝土破损、露筋锈蚀和麻面，部分横梁侧面出现竖向裂缝和斜向裂缝。

（5）T 梁翼板存在破损、露筋锈蚀，部分梁底露筋锈蚀较严重，多处横隔板破损、露筋锈蚀，T 梁腹板纵向开裂，接缝脱落、开裂。

（6）部分桩基护筒底处混凝土均有局部缩颈，如图1。

图1 桩基缩颈、露筋示意图（单位：cm）

（7）桥面铺装病害严重，伸缩缝大部分阻塞及部分脱空。

根据检查，左右侧桥面线形基本一致，拱肋线形平顺、未见明显下挠，如图2、图3。混凝土强度、钢筋保护层厚度、钢筋锈蚀、混凝土电阻率、混凝土氯离子含量检测结果都处在较正常的范围内。

图2 主桥线形实测值（上图）、设计值（下图）图

图3 设计（上图）、主桥实测（下图）拱轴线图

根据动、静载试验，主桥刚度、强度满足要求，结构处于基本线弹性工作状态。经验算上部结构的正常使用极限承载力、正常使用应力及挠度均在规范允许值范围内，满足设计要求。

3.2 加固方案选取

桥梁维修加固与新桥设计有很大的不同，具有一定的特殊性和复杂性，只有对旧桥桥梁进行检测，找出桥梁的病害以及产生的原因，判断旧桥所属类别，然后通过设计建模受力计算分析，提出合理与经济的维修加固设计方案。

经过对原设计的理论分析计算，原设计拱脚截面与拱顶截面承载力逼近规范限值，勉强满足规范要求；T 梁及横梁受力满足规范要求，但安全储备很小；吊杆、系杆满足安全系数2.5 的要求。若考虑冲击系数或损伤折减、活载超载、提高荷载等级（公路-I 级）时，主拱拱脚截面、L/8 处截面及部分L/4 截面的承载能力极限状态均不能满足规范要求。因此，原设计拱脚截面、拱圈部分截面、横梁、T 梁在超载或桥面不平顺冲击频繁时容易发生破坏，应加强养护维修加固。

桥梁加固方式多种多样，应充分分析、论证桥梁病害类型、严重程度及病害成因，利用桥梁计算程序进行结构分析计算，经多方案分析比较，给出切实可行的加固方案。因此，本桥加固不局限于一种，而是多种加固方法的组合[5]：

（1）对于明确影响桥梁结构安全或是由原结构刚度、强度与承载力不足所产生的病害，通过设计单位设计的方法进行维修加固，以达到全面恢复或提高结构承载力，确保结构安全。如腹板斜裂缝、吊杆横梁竖向裂缝等。

（a）拱肋粘贴钢板加固且防腐涂装：对拱肋截面承载能力相对紧张的部位（拱肋3/8L-拱顶下缘、1/4L 附近上缘）进行粘贴钢板加固，提高结构承载力和拱肋整体性。

（b）拱脚增大截面加固：对拱脚进行浇筑钢筋混凝土增大截面加固（因拱脚位置空间受限且未中断交通，不利于混凝土浇筑，变为粘贴灌注钢板加固），增强联系，提高整体性。

（c）吊杆上锚头拱肋间横梁采用压浆封闭和粘贴钢板加固。

（d）更换吊杆：鉴于吊杆基本达到使用年限且病害较多，更换全部吊杆，重点解决吊杆耐疲劳、可检可修可换问题。

（e）主墩、承台采用钢板外包加固墩帽、裂缝封闭及混凝土表面修复。

（f）主墩水下基础加固：主墩桩基采用水下植筋包桩增大桩基面积加固。

（g）凿除桥面铺装，重做桥面连续，更换所有伸缩缝。

（2）对于不危及到既有桥梁的安全，但会影响到桥梁的使用功能与耐久性，且主要原因是施工时的缺陷和桥梁使用过程中受到的破坏、风蚀等因素引起的病害，主要采取缺陷修复、结构复原方法进行维修，例如混凝土破损、露筋锈胀、桥墩表面网裂等。

（a）系杆外防护修复：系杆满足原荷载作用下应力符合2.5 倍安全系数储备要求，且墩帽空间有限未预留增加系杆空间，不考虑增设系杆以提高结构安全储备的方案，采用外包钢丝网水泥层进行系杆局部外防护修复。

（b）横梁采用环氧砂浆修补、裂缝封闭及混凝土表面修复。

（c）T 梁混凝土表面修补、裂缝封闭。

3.3 加固效果分析

采用上述方法加固后，经结构验算，主拱肋极限承载力、横梁承载力及T 梁承载力满足原设计荷载汽-20、挂-100 的要求，吊杆满足安全系数2.5 的要求，横梁裂缝满足原设计荷载要求，墩身与桩基均满足规范要求。

项目按照施工图要求进行加固，整体工程质量评定为合格，达到了加固目的。2017 年加固完工运营后，实体工程质量无出现缺陷变化，满足有关设计和规范要求，运行良好。

本工程在桥梁加固领域中具有先进的代表性，国内外常用的、较为先进的加固防护手段和技术均有采用。如主桥桥墩深水中湿法增大桩基截面、主桥吊杆更换等工程的成功实施，均体现了本工程的管理水平、设计水平和施工水平。本加固工程点多面广，内容基本涵盖了桥梁所有部位，技术先进，其成功实施有效地改善了桥梁运营状况。

4 结语

本文主要讲述了目前既有旧桥梁特别是拱桥的几种加固方法，同时通过系杆拱桥的工程实例，着重探讨了旧桥的加固方法，印证了通过加固桥梁的受力结构可以大幅度提升旧桥梁的抗弯、抗剪以及刚度，增强了旧桥梁的承载力，加固改造比重建新桥节约大量的投资和材料，具有明显的技术、经济和社会效益，经过加固的桥梁，目前运行状况良好。