双曲拱桥加固技术研究现状

孙文杰

摘要 我国的双曲拱桥多修建于20世纪60、70年代，近年来相继出现不同程度损坏，为使这些双曲拱桥正常运营，急需对它们进行加固改造。文章针对双曲拱桥产生的波顶开裂以及拱上建筑损坏等危害，分析了目前常见的双曲拱桥加固方法，主要包括增大截面加固法、改变结构体系加固法和减轻恒载加固法等，总结了各自的优缺点，探讨了目前加固技术存在的问题并提出了解决思路。

关键词 双曲拱桥；危害；加固方法

中图分类号 U445.72文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0155-03

0 引言

我国的双曲拱桥兴起于20世纪60年代，施工时不需要大型复杂的机械设备，施工简便，同时具有材料用量少、造价较低等优点[1]。正因为这些优点适应了我国当时的经济社会发展条件，因此在后续的几十年，我国修建了大量的双曲拱桥。双曲拱桥由拱肋、拱波、拱板以及横梁等部件组成主拱圈，作为主要承载结构[2]。但主拱圈构成复杂使得各部件连接较弱，从而导致了双曲拱桥的整体性较差。随着我国经济的飞速发展，道路交通压力持续增加，使大部分双曲拱桥产生不同程度的病害，更有部分成为危桥[3]。为了适应交通运输需要，保证行车安全性，并且再次充分挖掘双曲拱桥所带来的经济效益和社会效益，必须对双曲拱桥进行加固改造。

目前，双曲拱桥加固的方法有很多种，但归结起来，可以概括为加强主拱圈加固法、改变结构体系加固法和减轻恒载加固法[4]。加强主拱圈加固法可以分为以下几种：黏结钢板或加筋加固法，增大截面加固法和增设拱肋加固法；改变结构体系加固法就是改变主要承重结构的形式，例如变双曲拱肋为板拱或桁架拱；减轻恒载加固法就是改变拱上建筑的材料或者结构形式，将原有拱上填料换成轻质材料或者将原有实腹式拱上建筑结构改为空腹式结构[5]。

1 加强主拱圈加固法

主拱圈是拱桥的主要受力结构，它的安全与稳定决定了整座拱桥能否正常运营，并且双曲拱桥的病害主要集中在主拱圈，因此可以从加强主拱圈的角度对双曲拱桥进行加固改造。

1.1 粘贴钢板或钢筋加固法

粘贴钢板或钢筋加固法是拱桥加固中常用的加固方法，同样适用于加固双曲拱桥，一般是将钢板或钢筋用环氧胶浆粘贴在主拱圈表面，使其与双曲拱桥形成一个整体，共同受力，从而提高双曲拱桥的承载能力[6-7]。一般施工步骤如下：搭架—清洗混凝土和钢板表面—钻孔—涂胶—粘贴钢板—上膨胀螺栓固定—刷防锈漆、面漆—折架，清理现场。

粘贴钢板或钢筋加固法既能够保障原有主拱圈抗压性能不受影响，又能充分发挥新增钢板的抗拉性能，使双曲拱桥的抗弯性能以及抗剪性能均得到提高，同时还可以起到阻止裂纹产生与扩展的作用，并且不会对交通造成影响，施工时间短，经济效益好，技术含量高，养护费用低[8-9]。但也存在一些不足之处，例如拱圈结构在黏结钢板部分与未黏结钢板部分的交接处刚度会发生突变，容易在这些位置产生裂纹，导致主拱圈承载能力下降。

1.2 增大截面加固法

双曲拱桥的主拱圈由拱肋、拱波、拱板以及横梁等构件组成，根据对不同部位的加固，增大截面法又可以细分为增大拱肋截面法，加厚拱波、拱板法和增强横系梁法等[10]。

加大拱肋截面加固法主要是通过外包钢筋混凝土等方法来加大拱脚和拱顶的截面，从而提高拱肋的承载能力，加固时可以将一起外包拱波也可以不包拱波[11]。一般施工步骤如下：搭架—拱肋混凝土表面处理—安装模板，绑扎钢筋—现浇混凝土—混凝土养生—拆模，折架，清理现场。在加固设计计算时要保证二期恒载对原主拱圈产生的内力不超过其安全储备，从而确保施工时整体桥梁的安全。

波顶纵缝是双曲拱桥常见的病害之一，因此加厚拱波拱板也是重要的加固手段[12]。在拱波较薄弱时，通常可采用两种补强方法：一是现浇钢筋混凝土加厚拱板，二是采用喷锚混凝土直接加厚拱波。锚喷加固的一般施工步骤如下：在拱波腹部设置锚杆—架设钢筋网—利用喷射机械喷射混凝土。等喷射的混凝土凝固后形成一层新的钢筋混凝土结构，新老混凝土由黏结力抗剪传递荷载，共同受力，从而阻止裂缝的扩展[13]。

在纵桥向和横桥向同时承受水平推力，是双曲拱桥相较于其他拱桥所具有的独特受力特性，但在早期的双曲拱桥建设过程中没有特别关注横桥向水平推力这一重要因素。大部分是通过设置套管拉杆作为横向连接，这样的设计导致双曲拱桥的刚度和稳定性往往达不到要求，造成主拱圈整体性差。针对这种问题可以采用增设横系梁或横隔板、增大横系梁截面尺寸以及增大横系梁截面尺寸等几种方式来增强主拱圈的结构稳定性[14-15]。

1.3 增設拱肋加固法

增设拱肋加固法主要用于提高无肋的双曲拱桥主拱圈的承载能力，加固效果显著。增加的拱肋可设置在各个拱波连接处的下缘也可加在拱波波顶下缘。采用拱波下缘加钢筋混凝土拱肋时，需要沿拱轴每隔一定距离设置横向钢筋以加强其整体性。采用拱波波顶加肋的方法时，新增拱肋可分段预制，现场安装，肋上应预埋锚固钢筋，安装时将预埋筋穿过波顶伸到拱板面上与混凝土拱板结成一体，以保证截面的整体性[16-17]。

2 改变结构体系加固法

改变结构体系加固法即从主要承重结构主拱圈入手，将双曲式的主拱圈改造成其他形式的主拱圈或者其他结构体系的桥梁结构。常用的方法有以下几种：将双曲拱改造为桁架拱；将双曲拱加固变成板拱或箱拱；将双曲拱改造成刚架拱[18]。

在拱上建筑损坏严重，而主拱圈仍然可以安全工作的情况下，可将旧的拱上建筑拆除，以主拱圈作为下弦杆，在原有拱上立柱基础上施工腹杆并增加上弦杆，将双曲拱桥改造为桁架拱桥，此方法适用于梁式拱上建筑的双曲拱桥[19-20]。拆除拱上建筑时，要特别注意保留拱上立柱脚钢筋，浇筑桁架腹杆时才能将其固定在主拱圈上，保证改造成桁架拱之后的结构安全。变双曲拱为板拱法就是把拱肋之间和拱波之下的空腹区域填充浇注钢筋混凝土，将双曲拱变为板拱。对于拱式拱上建筑的双曲拱桥，一般没有立柱脚钢筋则改造为桁架拱不安全，可将双曲拱改造为刚架拱，斜腿下部支撑在拱脚处，上部支撑在桥面系下部，与主拱圈共同承担桥面荷载。

3 减轻恒载加固法

通常的加固拱桥的方法主要是从加强主拱圈方面考虑，但拱上建筑作为拱桥的一部分，近年来也成为工程师加固改造拱桥的出发点[21-22]。

双曲拱桥的恒载占总荷载的比例很大，而主拱圈承受的活载比重很小，对于这种情况，可以采用减轻拱上建筑重量的方式来提高双曲拱桥的承载能力。减轻恒载加固法的常用做法有降低桥面标高从而减小拱上填料的厚度、拱式拱上建筑改为轻型的板式拱上建筑、更换轻质的拱上填料、钢筋混凝土立柱代替重力式横墙等方法[23-24]。对于拱上建筑为拱式的双曲拱桥，可以将旧的拱式拱上建筑改为梁板式轻型拱上建筑。具体步骤如下：将所有的传力结构等拱上建筑拆除—裸露主拱圈的拱背—在主拱圈的拱背上浇注钢筋混凝土。混凝土的厚度一般是拱顶处较薄，拱脚处较厚，将原主拱圈改造成变截面组合截面拱；最后按照梁板式拱上建筑的施工程序完成全橋的施工。

通过减轻双曲拱桥的拱上建筑恒载来提高其承载能力是一种经济有效的加固方法。考虑联合作用的影响，双曲拱桥的承载能力受主拱圈与拱上建筑共同影响。因此在改变拱上建筑恒载时也需要对主拱圈的受力进行详尽的分析，从而保障施工中的安全，施工过程中要特别注意主拱圈的轴向力减小引起的弯矩变化。

4 现状问题及解决思路

目前我国针对旧有的双曲拱桥进行加固、改造的方法有多种，但是在这些加固方法的分析和选择上，多是靠经验决定，还没有统一的标准。这不仅不能保证拱桥在加固后的运营安全，也没法实现较好的经济社会效应。

基于双曲拱桥修建年代的经济社会状况，大部分双曲拱桥没有设计资料和竣工资料，对加固方法的选择带来诸多不利。虽然没有双曲拱桥的设计资料，但是可以获得其运营状态资料，可以把加固前的桥梁检测数据作为出发点，编制相应的标准，建立一套科学的分析选择体系，通过对运营期桥梁服役状态数据的分析处理，帮助选择科学的加固方法。主要方法思路如下：

4.1 外观检测

先进行外观检查，包括桥面系列检查、主拱圈检查和墩台基础检查等，将其划分为完好、较好、较差或危险等状态。

4.2 荷载试验

根据不同的外观状态选择不同的试验方法和试验荷载大小，包括静载试验和动载试验，这样做是为了保证试验时的安全以及防止对双曲拱桥的二次损害，试验可以获得详细的关于双曲拱桥的内力、位移以及稳定性方面的数据。

4.3 数据处理

对获取的数据进行分析处理，在这之前应该制定相应加固标准，分别对主拱圈、拱上建筑和拱脚等的运营状态做量化处理，制定出各种系数及参考范围。建立起模糊分析系统，利用MATLAB等数学分析软件对试验数据进行处理得出相应参数，然后与加固标准中的参数进行对比，这样可以提供更为科学的加固方法，满足安全性和经济性双重原则。

5 讨论

根据上述加固技术提出了两个值得研究的问题：

（1）用混凝土加固主拱圈时，由于新旧混凝土之间的收缩徐变存在差异，如何保证新旧混凝土之间的协同变形与承载。

（2）拱桥加固中，当需要拆除拱上建筑时，何种拆除顺序才能保证主拱圈的稳定。

6 结语

目前，我国已经不再新建双曲拱桥，但是仍有大量双曲拱桥正在使用且损害严重，为了确保运营安全，需要对这些双曲拱桥进行维护、加固与改造。该文详细介绍了目前常用的双曲拱桥加固技术，并说明了各自的特点，但是目前的技术中仍然有很多需要改进和发展的地方。针对具体的双曲拱桥加固，工程实际表明，往往需要采取各种综合加固的办法。另外，对双曲拱桥进行加固时，应该遵循标本兼治原则，不仅要方便施工，保证安全性，同时也要考虑经济性原则，满足社会经济效益。

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