上承式拱桥病害及加固探讨
2015-06-01
我国的桥梁建设在经历多年的快速发展后取得了巨大的成就，随着基础设施建设的不断完善，在未来10～20年内，新建桥梁工程将逐渐减少，桥梁的养护、维修、加固及改造工程将逐渐成为主流。将有大量的桥梁或多或少地出现不同的病害。拱桥是桥梁改造加固中数量最多的一种桥型。本文将以钢筋混凝土板拱、肋拱及箱形等上承式拱桥为例，以理论结合实际方法探讨其病害及加固方法。
一、钢筋混凝土板拱、肋拱及箱形拱桥常见病害
上承式拱桥，其组成主要有主拱圈及拱上建筑，拱上建筑包括腹孔（拱式腹孔或梁板式腹孔）、腹孔墩（立柱或横墙）、桥面板、填料、侧墙、桥面系等，视何种腹孔而定。跨径可小可大，小的10几米，大的如箱形肋拱可达420米，构造形式繁多，花样多变，但很多病害现象大致相同。
主拱圈的拱顶下缘及侧面横向裂缝及拱脚上缘及侧面的横向裂缝
这主要是这两个截面的抗弯强度不足，其具体原因较多，如尺寸偏小，配筋不足，拱轴线不合理、墩台不均匀沉降或向路堤方向滑动或转动、超重车影响、整体性差、施工质量差等引起[1]。如果裂缝的上、下缘位置与上述相反，常为墩台向桥孔方向滑动或转动。
主拱圈（板拱圈）或腹拱圈出现纵向裂缝
下图2，常伴有墩、台帽或帽梁纵向裂缝，如果裂缝大致居中，可能是墩、台基础的上、下游不均匀沉降引起，如果只是边拱箱接缝处开裂，一般是接缝的连接不好，整体性差，偏载作用下边拱箱受力变形较大引起。
3.主拱圈局部出现混凝土碎裂，脱落等破坏现象
这类病害一般出现在压应力较大的地方，如边角处、等截面拱圈的拱脚附近等，材料的抗压强度不够，引起劈裂或压碎，或者是内部钢筋生锈膨胀所致。
4．拱上排架、梁、柱开裂
特别是短柱两端开裂压碎，靠墩、台或实腹段的腹拱圈的拱脚、拱顶开裂经侧墙到桥面，侧墙与拱圈连接处脱离及侧墙的其它裂缝，主要原因为短柱及腹拱圈未设铰，相应位置的侧墙及桥面未设变形缝，在主拱圈变形或墩台位移作用下拉裂。
此外，下列一些病害也较常见。
主拱圈拱脚处的径向裂缝，这主要是材料抗剪强度不足引起的；还有就是双曲拱桥的拱波顶出现纵向裂缝或拱肋与拱波连接处环向开裂，多为各肋间横向联系弱，整体性差，横截面的组合不合理，墩台横向不均匀沉降等所致。桥面纵向裂缝，常伴有横向联系竖向开裂，特别是跨中横向联系开裂严重，说明桥梁的横向整体性差，荷载横向分布不好；主拱圈采用分段预制拼装时，接缝处也可能出现裂缝[2]；拱肋采用钢管混凝土时，钢管表面可能会出现收缩状褶皱，或管内有空洞、离析，常为钢管厚度不足，套箍作用部分散失，以及钢管格构布置不合理，管壁加劲肋不足等引起。二、上承式拱桥常见病害加固方法
（1）因主拱圈为偏心受压构件，如果出现拱顶、拱脚横向开裂或局部压碎，最好采用从拱腹面或拱背面增大截面的方法加固，如凿毛原混凝土表面、植筋和布筋后浇筑混凝土或喷射混凝土，特别是拱脚处裂缝，需要在墩台帽中植入钢筋，再增大拱脚段截面。其次可采用粘贴钢板或纤维复合材料，但应注意拱腹粘贴材料过长，受弯后产生径向撕裂作用的问题。在中、小跨径拱桥中还可考虑体外预应力加固，但应考虑对其它部位的影响[3]。还可采用减轻拱上建筑自重，如更换填料、或挖除填料及侧墙改拱式腹孔为全空腹式梁板腹孔来减轻主拱圈负担，但主拱轴线形有所变化，应注意验算。如果是墩台位移引起的病害，且还在继续发展，则应先加固墩台，消除病因。
（2）对主拱圈或腹拱圈出现的纵向裂缝，墩、台帽纵向裂缝及墩、台身竖向裂缝，如裂缝继续发展，则须先加固基础及其它下部结构，拱圈裂缝应视缝宽大小，采用灌浆封闭，增大截面，横向粘贴钢板或纤维复合材料。或增设多道钢箍，并尽量做成封闭箍，或通过钢拉杆，施加横向预应力等方法加固。 （3）对双曲拱桥拱波顶或拱肋与拱波连接处的纵向裂缝，应加强或增设横向联系，增大拱肋或拱板截面或者增加拱肋数量，减轻拱上建筑自重，如更换腹拱和实腹段的填料，改横墙式腹孔墩为立柱式腹孔墩，改拱式腹孔为梁板式腹孔等。如果是墩、台横向不均匀沉降引起的开裂，则应先加固地基；
（4）对拱上矮立柱上下端裂缝，最好改成缩颈铰，让它能适当转动，见下图4，对于靠近墩台及实腹段的腹拱圈拱脚或拱顶裂缝，如果裂缝较宽至断裂或两侧有明显高差，则要考虑折除重建为三铰或两铰腹孔，否则可暂不管它，但相应位置处侧墙及桥面的变形缝要设置好，不然会漏水。
（5）对桥面纵向开裂及横向联系竖向裂缝，应加强结构的横向整体性，如加大或增加横梁，结合翻新桥面，适当加厚混凝土铺装层厚度、提高标号、增强桥面横向配筋，有填料的拱桥，将填料挖除并改为现浇混凝土等方法加固；
（6）对拱顶下挠过多，底面横向开裂的拱桥，可采用体外预应力索在拱圈弹性中心以下部位的拱背上设锚座张拉，使拱顶产生负弯矩及反拱度，但拱脚处也同时产生负弯矩，应加大拱脚段截面来处理，体外索的具体位置及张拉力大小应根据拱圈内力（主要是弯矩） 的变化反复试算后确定；
三、双曲拱桥加固实例
1．大桥概况
乐乡关大桥是襄沙公路钟祥市境内一座独立大桥，该桥为上世纪70年代初期修建的3孔净跨径40m双曲拱桥，主拱圈为等截面悬链线无铰拱（拱圈全宽为10.52m），桥面净宽为净－9+2×1.0m人行道，净矢跨比f0/l0=1/7，拱轴系数m＝2.24。设计荷载为汽车－20级，验算荷载为挂车－100。2002年10月，由于三峡工程建设的需要，有一批大型变压器由公路桥式车组（总重达398吨，简称“特种荷载”）运输通过该桥，而且时间非常紧迫，为了保证桥梁能安全通过该特种荷载，需对桥梁进行调查、验算与加固。为了全面了解桥梁受力情况，在确定加固方案之前，分别按连拱和固定拱计算了特种荷载对主拱圈控制截面的影响，其结果是：拱脚截面特种荷载产生的弯距明显大于设计荷载及验算荷载产生的弯距，拱顶及其它截面均可满足特种荷载通行要求，因此得出该桥主要是加强拱脚段截面的结论。
2．加固方案
为了有效地加强拱脚截面，采用钢筋混凝土加强拱背的方法。加强拱背的现浇钢筋混凝土，在拱脚截面处厚度为40cm，在2号腹拱墩处厚度为20cm，其间逐渐变化。
主筋①（纵向钢筋）为直径16mm的Ⅱ级钢筋，间距为20cm。穿过腹拱墩并锚入拱座内50cm.
分布钢筋②（横向钢筋）为直径10mm的Ⅰ级钢筋，间距一般为50cm。
锚固钢筋③（按径向布置）植于拱肋的上面，增强新老混凝土的联结，也起着架立钢筋的作用。
腹拱因跨径小，通过特种荷载可不用加固。下部构造基础稳固，加固上部构造增加重量不多，在特种荷载作用下按连拱计算时墩台均无需加固。
3．力学机理及加固效果
采用图6的方法加强拱脚，可显著增大拱脚区段的截面刚度，在受力方面，有变截面无铰拱的特性。与等截面无铰拱比较，变截面无铰拱拱脚的负弯矩随拱脚刚度的增加而增大，对拱顶的正弯距有“卸载”的作用，即拱脚刚度愈大，拱顶的正弯距愈小。因此按图6的办法在加强拱脚这个控制截面的同时，实际上也帮助了拱顶截面，即减少了拱顶截面的正弯距。利用拱顶弯矩影响线同样也可看出加强拱脚后，控制拱顶截面强度验算的正弯矩实际是减小的。因此这种加固方法有利于改善拱脚、拱顶两个控制截面的受力状态，提高拱桥的承载能力。
由拱圈上部加固具有速度快、质量好、造价低的优点。本桥是因为只需要加强拱脚部分，故拱圈只加强到第二腹拱墩。如果空腹拱部分的主拱圈都需要加强，可根据需要用混凝土或钢筋混凝土加强整个空腹拱部分的主拱圈，同样可得到满意的效果。
