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拱橋加固原理及方法
發布時間：2014-08-05
拱橋病害情況及原因 針對北京郊區幾座雙曲拱橋調查，發現除了混凝土結構物共存的一些病害外，雙曲拱橋普遍現狀如下：
1.等級偏低，橋的強度、剛度、寬度不夠，不能滿足現在的交通要求。
2.拱肋出現裂縫。
主拱圈的裂縫可以分為縱向縫、徑向縫兩大類：
縱向縫是產生與拱肋和拱波的結合面上，平行于拱軸線方向的裂縫，其產生的原因主要是主拱圈整體性差和橋臺水平位移較大所致。縱向縫分為法向拉力縱向縫和剪力縱向縫兩種。法向拉力縱向縫多出現在拱頂附近正彎矩較大的區段，剪力縱向縫出現在拱角附近剪力較大的區段。
徑向縫是垂直于拱軸線方向的裂縫，主要有拱肋徑向縫和拱背徑向縫兩種，拱肋徑向縫產生在拱頂附近正彎矩較大的區段，往往是由于橋臺發生過大的水平位移，拱頂部位正彎矩大大增加，拱肋的拉應力超過極限拉應力所致，拱背徑向縫多產生在拱角附近負彎矩大的區域，橋臺發生過大的水平位移也常出現拱背徑向縫。
3. 腹拱破壞。
在對郊區危改拱橋的調查中，發現幾乎所有的拱橋腹拱都不同程度的被破壞，尤其在腹拱與橫強交接的部位，常常破碎，這是因為腹拱圈預制分塊太多以及勾縫水泥砂漿標號過低，致使其整體性差，在載荷反復作用下必然導致各腹孔產生不同程度的縱、橫向裂縫。
4. 拱波破壞
舊橋的拱波大部分是預制彎板，板板之間只通過沙漿進行聯系，由于聯系薄弱容易形成單板受力，拱波容易被壓壞而出現裂縫，隨著裂縫的擴展拱波容易出現滲漏現象。
5. 橫系梁破壞
由于橫向聯系薄弱，主拱圈容易出現偏載橫系梁由于和主拱圈是剛結受力巨大，容易出現應力超限而被拉壞。
6. 橋面系病害：
造成橋面破碎的原因主要有兩個方面，一是缺乏基層，拱橋上填料厚薄不一，對面層的剛性不一，沉陷不一，沙礫填料只能算橋面的墊層，具有足夠的強度但是整體性能差，二是重車交通量增長，加劇了橋面的病害。
另外，材料性能不好，施工工序或施工加載不正確、氣溫條件的影響也是產生和加劇病害的主要原因。
三、加固原理
（一） 首先分析危舊雙曲拱橋內力分析的特點：
危舊雙曲拱橋內力分析和設計狀態下的內力分析是有明顯區別的。設計狀態下，確定了跨度、矢高及拱軸系數后，只要帶入相應的計算公式中就可以計算出拱圈主要截面的內力。危舊雙曲拱橋，由于施工、損傷等原因，可能使主拱圈的拱軸線發生了較大的偏離，拱軸線不再是設計線形，而變為一條不規刻的曲線。這時如果還代入按設計線形推導出的內力計算肯定會使計算結果偏差太大。另外，雙曲拱橋拱上建筑往往采用腹拱，腹拱拱腳存在較大的水平推力，其水平推力和主拱圈中的拉力形成一個力偏共同抵抗外力矩。所以拱上建筑采用腹拱的雙曲拱橋的聯合作用是較強的。然而，在傳統拱橋的內力分析方法中，是把主拱圈的計算和拱上建筑的計算分解開來，假定全部外荷載由主拱圈承受，而拱上結構只是作為把荷載傳遞給主拱圈的局部受力構件，不與主拱圈共同作用。這樣處理肯定使計算結果誤差較大。所以危舊雙曲拱橋的內力分析一般不適合采用傳統的內力分析方法。針對危舊雙曲拱橋內力分析的特點，用有限元法來分析其內力是可行的。全橋建立統一的有限元模型，采用適當的連結方式把拱上建筑和主拱圈聯系在一起，模擬拱上建筑和主拱圈聯合作用，對于既有雙曲拱橋，可側出實際拱軸線的位置，用實際拱軸線建立模型，大大提高了計算精度。
（二） 建立危舊雙曲拱橋有限元分析模型的方法:
建立危舊雙曲拱橋有限元分析模型主要應考慮以下幾個方面:
①雙曲拱橋的主拱圈變形較大時，建模應采用拱軸線的實側坐標；
②考慮拱上建筑的聯合作用；
雙曲拱橋由于腹拱的存在，聯合作用往往是較強的，所以，建模時應考慮腹拱的作用。實腹段以及腹拱上方的填料基本土不能承受彎矩，所以這部分可以簡化為兩端與橋面及主拱圈鉸接的桿單元。拱上建筑中橫墻一般具有較大的剛度，而且和主拱圈剛性連接，所以模型中橫墻可以簡化為和主拱圈剛性連接的梁單元；
③對于多孔雙曲拱橋需考慮連拱作用的影響；
多孔雙曲拱橋在荷載作用下，各拱墩結點會產生水平位移和轉角。橋墩結點的水平位移和轉角會引起拱圈內力的改變，這種作用稱為連拱作用。當橋墩和主拱圈剛度比較小時，連拱作用是非常明顯的。建模時多孔拱橋應該建立統一的模型，模型中也應該包括中間橋墩；
④如果主拱圈已局部開裂。則應按不同的情況分別考慮。開裂不嚴重，可按土拱圈剛度折減來計算;開裂嚴重，裂縫甚至已沿全截面貫通，則該截面已成為一個鉸，結構體系就發生了根本改變，應重新建模。
四、常用加固方法
針對上述病害，目前常用的加固技術有：
（1）鋼筋混凝土套箍封閉主拱圈加固技術：
拱肋加固應根據地形環境、地質水文、氣象情況、施工質量、病害嚴重程度、調查檢測結果、荷載試驗、計算結果、橋梁重要性及社會影響等綜合考慮，進行方案設計。
1.如果施工質量有問題，首先應該對拱肋進行修補。
2.如果拱肋只是局部強度不足，可局部粘貼鋼板或碳纖維補強。
3. 如果拱肋病害是由于墩臺變位引起的，則重點應加固墩臺，讓墩臺復位穩定。例如可采用頂推拱座的辦法復位基礎水平變位。
4. 如果兩拱肋在荷載作用下相對變形較大，橫系梁較弱，則應加強橫向聯系，在拱肋、立柱、縱梁間增設橫系梁，以加強橫向整體性。
5. 對于特別重要的橋梁，例如一旦斷道加固施工就會造成整條路線的交通中斷，附近還沒有繞行路線，社會影響較大，在設計加固方案時應考慮更為安全可靠、安全儲備較大、經久耐用、一勞永逸的加固方案。此時可改變拱肋的結構形式，例如在中間加肋將肋拱變為板拱，或改變拱上構造將肋拱變為析架拱，或加拉索拉住拱肋將肋拱變為斜拉拱橋，或增加墩柱減小跨徑等，必要時也可撤掉肋拱橋重新修建其它橋型。
為了提高原橋的受力整體性和承載力，增強結構的整體耐久性能，采用變截面鋼筋混凝土套箍封閉主拱圈技術對主拱圈進行加固，即沿主拱圈外環現澆增設一層鋼筋混凝土套箍層，利用截面增大、斷裂力學及“套箍效應”三個機理，達到提高原橋承載力的目的，其工序如下：
主拱圈表面鑿毛——安設主拱圈砂漿錨桿——主拱圈縱橫鋼筋就位——現澆鋼筋混凝土套箍層——混凝土養生。為使主拱圈受力更為合理，鋼筋混凝土套箍層沿縱向采用變截面的型式。
（2）立柱
一般立柱強度及穩定均不會有問題，如不足，可采用增加縱橫系梁或環包碳纖維的方法處理。立柱端頭局部混凝土壓碎，可采用環裹鋼筋網加大柱截面的方法處理。
（3）橋面板
1.部分換板
由于板的剛度不足，重新預制安裝剛度和配筋均加強的板。
2改善脹縫狀況
對橋面板的縱縫，要沖洗干凈，風干后壓人環氧樹脂砂漿。
3改造板間鉸縫
橋面板設計是按鉸接板法計算內力，鉸縫的澆注質量決定板間內力。
（4） 輕質拱上填料
對于舊橋更換拱上填料時盡量采用輕質的陶粒混凝土，并嚴格保證陶粒混凝土的密實度使得拱橋結構協同受力。
（5）改善排水
五、實例分析
孫湖溝橋位于懷柔區崎峰茶鄉，是延琉路（K68+357）上的一座砼雙曲拱橋。此橋始建于1970年，該橋全長48米，計算跨徑30米，矢跨比1： 9.93，1989年曾對該橋的上部進行過加固。由于該橋在使用過程中出現了拱肋破損，出現了漏筋現象，并且腹拱基座出現裂縫屬于危改橋梁。我單位對孫湖溝拱橋的加固進行了詳細的分析。
結合懷柔區延琉路孫湖溝拱橋危橋特征，建立有限元分析基本模型。
經分析在施加公路I 級并且整體降溫30度后,拱肋拉應力超限,即使拱肋加寬也達不到公路I級標準,于是我們提出了拆除重建的加固方案,新建整體式板拱.
其結構主要為:
①主拱圈采用現澆鋼筋砼板拱.
②橫墻為現澆鋼筋砼實心墻。
③腹拱采用預制鋼筋砼板拱。每孔腹拱橫橋向有6塊中塊和2塊邊塊組成。
④拱上填料為陶粒混凝土。填料層兩側為50厘米寬的砌石側墻。
⑤填料層上為25厘米厚現澆鋼筋砼橋面板，板上鋪BCW-100防水層。橋面鋪裝采用AC-16C中粒式瀝青砼，厚度為5厘米。
⑥拱座為重力式鋼筋砼拱座。
通過Ansys有限元計算我們最終確定了拱橋的斷面形式,以及結構的具體構造,有限元分析拱橋并作為輔助設計手段應該值得推廣.
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