某双曲拱桥加固优化设计与效果研究

某双曲拱桥加固优化设计与效果研究

李业

惠州市天堃道路桥梁工程检测有限公司广东惠州516002

摘要：通过对该桥进行加固，设计前期并进行理论分析，优化加固设计方案，可保证双曲拱桥的安全运营和高效管理。

关键词：双曲拱桥；加固设计；荷载试验

双曲拱桥加固研究主要有以下目的：1、目前双曲拱桥存在主要问题：使用年代久远、设计荷载标准低、材料强度低并老化、开裂严重。通过对同类地区双曲拱桥加固研究，理论分析及现场测试来优化加固方案，达到提质改造目的，节约建设成本；2、对该桥加固研究，完善双曲拱桥加固计算方法，形成同类地区双曲拱桥加固标准化设计，其成果具有广泛的推广意义和实用价值，并能产生巨大的经济和社会效益。

1工程概况

某双曲拱桥于2000年7月建成通车，该桥上部结构采用为1×45m（净跨径）钢筋混凝土双曲拱桥，下部桥台采用重力式桥台。桥梁总长69m，桥面宽度为净4.3m+2×0.5（人行道）+2×0.15（栏杆）。主拱圈采用4肋3波，左右各悬出半波，拱波为混凝土预制。主拱上单边各设5个腹拱、11道横系梁。主拱圈宽5.3m，厚0.9m，矢跨比为1/5.4。桥梁与河流正交，由于该桥一些主要承重构件以及桥面系缺损较为严重，安全隐患突出。

图1桥梁整体布置图

2设计标准

①荷载等级：公路—Ⅱ级；②孔径：1×45m；③航道等级：不通航；④设计洪水频率：1/50；⑤地震动参数：地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期小于0.35s，采用简易设防。

3研究意义

双曲拱桥出现在20世纪60年代一种桥型，这种结构充分利用了其施工便捷、节省钢材、便于就地取材、加快施工进度等优点，在我国20世纪60～80年代推广迅速，很快得到了广泛应用。

双曲拱桥由主拱圈和拱上建筑组成。主拱圈由拱肋、拱波、拱板和横向联系等几部分组成，其外形在纵横两个方向均呈弧形曲线，故称为双曲拱桥。双曲拱桥主拱圈的特点就是先化整为零，再集零为整，以适应无支架施工的情况。施工时先将主拱圈分成拱肋、拱波、拱板和横向联系几部分，并预制拱肋、拱波和梁板，即化整为零；然后吊装拱肋成拱，并且与横向联系等构件组成拱形框架，在拱间安装拱波，随后浇注拱板混凝土，即集零为整。但是在20世纪60～80年代修建的双曲拱桥由于设计等级低，拱圈整体性差，钢筋或混凝土质量不好，开裂和破损现象较为普遍，极大的影响了桥梁的正常使用。但经过多年的运营后观察发现这种化整为零的特点既是双曲拱桥的优点，也是缺点。由于主拱圈是由拱肋、拱波、拱板组成的截面，各构件之间的接缝及接触面较多，截面的整体性较差，使用中出现裂缝也就较多，尤其是拱波、拱板截面刚度相差较大，在温度、混凝土收缩和荷载反复作用下拱波波顶易产生纵向裂缝。

目前，大部分双曲拱桥都出现了不同程度的结构病害，有的甚至已经发展成为危桥，其主要承重构件拱肋结构也出现较为严重的混凝土碳化、剥落、钢筋锈蚀、裂缝开展等损伤。

双曲拱桥加固方案已经形成了多种技术，但各有其局限性，因此旧桥和已加固双曲拱桥数年后依然会出现承载力不足的现象。针对此类情况，有必要专项研究，寻找合理耐久加固方案。目前国内许多省已有专项研究双曲拱桥的加固研究课题，并取得一定成绩，但现在还没有对加固方案优化和耐久性进行综合研究，特别是近几年报道中，许多加固后桥梁出现破坏或造成事故现象。因此本课题对朱衣拱大桥进行承载力和耐久性研究具有十分重要意义。

4国内外双曲拱桥加固方法概况

目前国内外专家对对双曲拱桥加固与改造的方法，主要有以下几种：

1、增大截面加固法：增大截面的加固方法就是通过增加受压区混凝土和增设受拉区钢筋，来提高构件的强度，刚度，稳定性和抗裂性的方法。

2、改变截面形式法：改变截面形式的加固方法，主要是指使双曲拱桥变成箱形拱，增加了桥梁的整体稳定性和结构抵抗弯矩的方法。

3、体外预应力法：通过在双曲拱桥的特定部位张拉预应力构件达到加固补强的方法。

4、粘贴材料加固的方法：粘贴不同的抵抗拉力的材料（包括碳纤维布、钢板等），使拱圈的受拉区域局部增强，达到提高桥梁承载力的目的。

5、增强拱肋间横向联系加固法：采用加固拱肋间横向联系来加固补强双曲拱桥的方法。

6、调整拱的轴线使之与压力线相吻合的加固方法：双曲拱桥在长期超负荷作用下，会发生主拱圈拱轴线的变形过大的情况，此时拱桥加固的时候，要调整拱桥的拱轴线使之于恒载的压力线相吻合。

无论哪一种加固方法，对承载力提高量化指标都不具体，加固设计计算依据千差万别，还没有系统的论证与研究。对于双曲拱桥加固没有实际指导意义。

5加固设计

根据该桥实际情况、综合地质条件拟对该桥跨中区段采用改变截面形式的方法，拱脚截面采用增大截面的方法加固，维修加固内容如下：

1、拆除栏杆，挖除桥面及部分拱上填料，对拱上填料压浆处理，重作防水层、桥面铺装，泄水孔，并改做防撞栏杆。

2、清除腹拱内杂草及孔跨内杂物，减轻桥梁恒重。

3、采用环氧砂浆修补拱肋，拱波，用环氧胶泥处理混凝土老化，剥落现象。

4、拆除并重新砌筑部分小里程右侧翼墙，完善大里程侧翼墙锥坡。

5、采用植筋方式在原拱肋下浇筑一整块板拱，与原有拱肋拱波形成箱型拱。

6、采用增大截面法加固拱脚。

根据桥梁现状及现场情况，本项目只对桥梁做脉动试验，当桥梁结构无车辆通过时，桥梁实际上也仍处于环境激励之下。环境激振具有各种频率成分，环境的振动在比较宽的频带上，其功率谱比较平坦。但它输入到结构上后，结构如同抑振器和放大器，由于共振效应结构将自振频率相差较远的振动衰减，而把与结构自振频率相同的放大，在传感器上测得较强的信号的频率，就反映了结构本身的自振特性。

通过动载试验，对环境随机激励下的测试信号进行频谱分析得到该桥加固前后自振频率，加固前后实测自振频率见表2。

由上表可知加固前实测值略小于理论计算值，说明桥梁整体刚度有所退化。加固后自振频率实测值大于理论计算值，说明加固后桥梁整体刚度提升明显，满足规范要求。

7结论

综上所述：通过对该桥主拱圈加固，改变主要承重构件截面形式，重新调整主拱圈压力线，提高了该桥整体刚度，增加了桥梁承载能力。桥梁加固取得预期效果，也为今后同地区、同类型桥梁加固提供了理论依据，也实现了资源的合理分配。

参考文献：

[1]薛兴伟钢板碳纤维组合加固双曲拱桥应用技术研究广东工业大学硕士论文2005

[2]徐启友桥梁修理与技术改造人民交通出版社1992

[3]湛润水公路旧桥加固技术与实例人民交通出版社2002

[4]蒙云桥梁加固与改造重庆大学出版社1989

[5]中华人民共和国交通部公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD62-2004）人民交通出版社2004

[6]中华人民共和国行业标准，《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）人民交通出版社2004

[7]中华人民共和国行业标准，《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）人民交通出版社2004