上海中測(cè)行工程檢測(cè)咨詢有限公司 莊春雨

雙曲拱橋病害的維修與加固

上海中測(cè)行工程檢測(cè)咨詢有限公司 莊春雨

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，原來(lái)的公路及市政道路均擔(dān)負(fù)著沉重的交通流量，為適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的交通流量，各地均掀起了道路的新建及改建、擴(kuò)建高潮。雙曲拱橋大部分修建于上個(gè)世紀(jì)60～80年代，是少鋼筋少水泥時(shí)期修建的典型橋梁，大都已處于設(shè)計(jì)使用壽命的后期。雙曲拱橋自身存在結(jié)構(gòu)整體性差的缺陷，加之施工和運(yùn)營(yíng)管理等多方面原因，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后通常會(huì)出現(xiàn)諸如構(gòu)件破損、開裂等多種病害。近年車輛急劇增多，超重荷載屢禁不止，對(duì)現(xiàn)有的雙曲拱橋承載形成了巨大的壓力，結(jié)構(gòu)提前出現(xiàn)老化現(xiàn)象，某些橋梁甚至已經(jīng)不堪重負(fù)。在經(jīng)濟(jì)條件不允許拆除重建時(shí)，為保證運(yùn)營(yíng)安全，亟須進(jìn)行加固。

目前，結(jié)構(gòu)加固技術(shù)發(fā)展較為迅速，對(duì)于雙曲拱橋的加固，可采用加大截面法、粘貼碳纖維布（鋼板）、預(yù)應(yīng)力加固、噴射混凝土加固等方法。近年來(lái)，隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，纖維類材料被廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，特別是以碳纖維為主要材料的加固技術(shù)，由于施工便捷，成為橋梁加固工程當(dāng)中一種行之有效的手段。

一、雙曲拱橋的加固措施

通過(guò)對(duì)雙曲拱橋結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)，采取適當(dāng)?shù)木S修加固措施，可恢復(fù)或提高其承載能力。雙曲拱橋的加固內(nèi)容包括加強(qiáng)主拱結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)橫向聯(lián)系，改造拱上建筑，加固墩臺(tái)、基礎(chǔ)，更換橋面鋪裝，改變結(jié)構(gòu)體系等。

1. 拱肋加固。拱肋是雙曲拱橋主拱圈的骨架，也是組合截面重要組成部分，是最為重要的受力構(gòu)件。雙曲拱橋常見(jiàn)的病害為拱肋強(qiáng)度不足引起的承載力降低，拱肋的加固至關(guān)重要。由于拱肋通常會(huì)在拱頂及拱腳處出現(xiàn)徑向裂縫，故根據(jù)其受力特點(diǎn)，通常可采用粘貼鋼板或碳纖維布的方法或擴(kuò)大截面并增配鋼筋的方法進(jìn)行加固。

（1）粘貼鋼板。粘貼鋼板是鋼板和混凝土通過(guò)膠粘劑結(jié)合成為整體而共同受力，在基本不增加自重的同時(shí)，充分發(fā)揮鋼板的強(qiáng)度，約束混凝土的變形，限制裂縫的發(fā)展，提高拱圈的承載能力。

（2）粘貼碳纖維布。粘貼碳纖維方法作用與粘貼鋼板相似，但碳纖維加固具有許多其他傳統(tǒng)加固法所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如輕質(zhì)高強(qiáng)、無(wú)須搭接，能適應(yīng)曲面構(gòu)件的粘貼要求，耐腐蝕、耐潮濕、施工便捷、抗疲勞性能好。除了普通的外粘加固，還可用碳纖維復(fù)合材料施加預(yù)應(yīng)力，讓碳纖維的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮，因而適用于橋梁結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，主要可用于受彎和受剪構(gòu)件（梁、板、柱等）承載力不足的加固，也可利用其纏繞約束作用，用于受壓立柱的加固并可有效增強(qiáng)被加固構(gòu)件的延性，有利于結(jié)構(gòu)抗震。在碳纖維的增強(qiáng)作用下，可提高抗彎能力，使受彎構(gòu)件的承載能力增加，并遏制裂縫的發(fā)展，減少開裂。

（3）擴(kuò)大截面法。通過(guò)外包鋼筋混凝土擴(kuò)大整個(gè)拱肋截面尺寸，增加拱肋截面的配筋率，以提高拱肋的抗彎剛度，提高截面的承載力。也可采用只加大拱腳截面的辦法，該方法有利于改善和調(diào)整拱腳、拱頂兩個(gè)控制截面受力狀態(tài)，起到卸載的作用，以提高拱橋承載能力。通常做法是在拱腳處加大截面范圍內(nèi)的拱肋，并在拱座上植筋，填充新澆混凝土，將拱腳處變成實(shí)心鋼筋混凝土構(gòu)件，以有利于結(jié)構(gòu)整體受力。

施工時(shí)擴(kuò)大部分寬度宜采用半包圍原結(jié)構(gòu)形式，最小厚度不宜小于150mm，新增部分鋼筋應(yīng)采用植筋或與原結(jié)構(gòu)鋼筋焊接方式形成整體。新增混凝土加厚層在構(gòu)件受力過(guò)程中應(yīng)與原構(gòu)件保持變形協(xié)調(diào)，應(yīng)采取工程措施保證新舊混凝土的受力變形一致。

采用增大截面加固法時(shí)，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件強(qiáng)度不應(yīng)低于C20，受壓構(gòu)件強(qiáng)度不應(yīng)低于C15，預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件強(qiáng)度不應(yīng)低于C30。加固前須先對(duì)拱肋出現(xiàn)的裂縫采用壓力注環(huán)氧漿液封閉，并對(duì)露筋表面進(jìn)行除銹、修補(bǔ)處理。

2. 加強(qiáng)橫向聯(lián)系。由于雙曲拱橋的構(gòu)造特點(diǎn)使得其截面整體性差，橫向聯(lián)系較弱，橫向聯(lián)系不足會(huì)引起橫橋向失穩(wěn)。當(dāng)拱肋間無(wú)橫向聯(lián)系或橫向聯(lián)系較弱時(shí)，在集中荷載作用下，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后各拱肋的受力、變形在橫橋方向是不均勻的，相對(duì)變形較大，故采用增加橫向聯(lián)系來(lái)使單片拱肋聯(lián)成整體，形成一個(gè)框架，從而保證橫向穩(wěn)定，改善主拱圈受力。通過(guò)加強(qiáng)橫向聯(lián)系，可以增強(qiáng)整體性。

加強(qiáng)橫向聯(lián)系通常采取兩種方法：一是增強(qiáng)橫向聯(lián)系，可將原有橫系梁改為橫隔板，加大與拱肋的結(jié)合面積；二是增加橫向聯(lián)系的數(shù)量，根據(jù)跨徑的不同增加橫向聯(lián)系。增設(shè)橫向拉桿加固時(shí)，視跨徑大小可在跨中、1/8跨徑和1/4跨徑附近設(shè)置橫向拉桿。加強(qiáng)橫向系梁加固時(shí)，其位置宜選擇在拱頂、拱肋分段接頭處以及腹拱墩（或立柱）下和拱腳附近。

通過(guò)加強(qiáng)橫向聯(lián)系，提高了拱橋的橫向整體性能，使各拱肋間的受力較為均勻，變形趨于一致，加強(qiáng)了橋梁的剛度和穩(wěn)定性，提高了橋梁的承載能力。

拱肋橫系梁病害處理。先采用壓力注環(huán)氧漿液封閉裂縫，再對(duì)構(gòu)件混凝土面層的粉刷層和松動(dòng)部分徹底清除后打磨。對(duì)于外露鋼筋，先進(jìn)行除銹處理，然后用找平膠修補(bǔ)，纏繞包裹碳纖維布。

3. 改造拱上建筑。拱上建筑的構(gòu)件破損、開裂等病害一般可采用粘鋼或粘貼碳纖維布的方法修補(bǔ)，如柱類構(gòu)件強(qiáng)度或穩(wěn)定性不足，可采用纏繞碳纖維的方法處理，環(huán)向圍束。立柱頂部混凝土壓碎，可采用外包鋼筋網(wǎng)加大柱截面的方法處理，形成箍的作用。

在梁、板類受彎構(gòu)件的正截面加固，纖維布應(yīng)貼在受拉區(qū)，纖維粘貼方向與受拉方向一致。對(duì)于受彎構(gòu)件的斜截面加固，纖維粘貼方向應(yīng)與主拉應(yīng)力方向一致，考慮到施工的方便，也可粘貼成與構(gòu)件軸向垂直。這主要是利用碳纖維布抗拉承載力高的特性，將布粘貼在構(gòu)件受拉面，使之與混凝土共同承受荷載，提高構(gòu)件的受彎承載力，達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)的目的。梁類構(gòu)件進(jìn)行受剪加固將碳纖維布粘貼于構(gòu)件的剪跨區(qū)，起到與箍筋類似的作用，提高構(gòu)件的抗剪承載力。利用碳纖維布對(duì)混凝土的約束以抑制剪切裂縫的開裂和發(fā)展，可采用封閉式粘貼、U形粘貼或側(cè)面粘貼碳纖維布，粘貼方向宜與構(gòu)件軸向垂直。

減輕拱上建筑的重量通常有三種方式：一是可將拱式腹拱改為較輕的T梁或空心板等輕型橋面板；二是徹底清除原拱上填料，更換為輕質(zhì)材料重新填筑；三是將墻式墩改為柱式墩。上述三種方法均可有效減輕拱上建筑的重量，以減小拱頂彎矩。

4. 加固墩臺(tái)。墩臺(tái)出現(xiàn)病害會(huì)導(dǎo)致雙曲拱橋的上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害，對(duì)于墩臺(tái)病害的處理，裂縫可采用壓力注環(huán)氧漿液封閉裂縫，或粘貼鋼板。病害嚴(yán)重的可用鋼筋混凝土套箍并施加體外預(yù)應(yīng)力加固墩身。當(dāng)墩臺(tái)變位過(guò)大時(shí)，則需采用頂推等方法使墩臺(tái)復(fù)位穩(wěn)定。

5. 更換橋面鋪裝。

由于早期橋面板及鋪裝強(qiáng)度普遍較低，維修可采用強(qiáng)度高、防水性能好的橋面板及鋪裝重新鋪筑，還可在橋面鋪裝中添加鋼纖維或化學(xué)聚合物類纖維，增加強(qiáng)度及抗裂性能。

6. 改變結(jié)構(gòu)體系。進(jìn)行加固如不能滿足需要，根據(jù)橋梁的實(shí)際情況，可采用改變結(jié)構(gòu)體系的方法，拆除原有拱上建筑，改建為桁架拱或剛架拱。拆除前應(yīng)做好拆除方案，保證拆除時(shí)拱上受力平衡，避免發(fā)生坍塌事故。

二、工程實(shí)例

宿遷京杭運(yùn)河1號(hào)橋，主橋采用四肋三波懸鏈線無(wú)鉸雙曲拱形式，拱上建筑為立柱式腹拱墩，引橋采用五肋四波懸鏈線無(wú)鉸雙曲拱形式，拱上建筑為拱式腹孔，由于該橋車流量較大，長(zhǎng)期通行重型車輛，上部結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)較為嚴(yán)重的病害，構(gòu)件出現(xiàn)不同程度的損壞現(xiàn)象，很多構(gòu)件有裂縫出現(xiàn)，滲水現(xiàn)象較為明顯。檢測(cè)后根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》將該橋總體技術(shù)狀態(tài)評(píng)定為四類，即差的狀態(tài)。根據(jù)檢測(cè)情況，針對(duì)該橋存有的病害及發(fā)展情況，依據(jù)通行需要，參考相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn)，提出以下維修加固方案。

1. 對(duì)主拱圈的露筋及外力損傷進(jìn)行修復(fù)，重要部位底面粘貼碳纖維布。

2. 對(duì)主拱圈拱肋間個(gè)別橫隔板端部的滲水、白化進(jìn)行維修。

3. 主拱微彎板裂縫經(jīng)壓力注環(huán)氧漿液封閉裂縫后，粘貼碳纖維進(jìn)行加固。

4. 修復(fù)拱上建筑中立柱的部分破損，對(duì)不滿足構(gòu)造及抗震要求的立柱，應(yīng)采用碳纖維進(jìn)行加固處理，粘貼方式為纏繞及環(huán)向粘貼。

5. 拱上建筑中的開裂蓋梁采用粘鋼方法加固補(bǔ)強(qiáng)。

6. 拱上建筑微彎板采用粘貼碳纖維方法進(jìn)行加固。

7. 加固補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)在對(duì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的病害、損傷修復(fù)基礎(chǔ)上進(jìn)行。

8. 橋面鋪裝改為鋼筋混凝土鋪裝，雙層鋼筋網(wǎng)加密、加粗，以增強(qiáng)橋梁橫向聯(lián)系，提高整體共同工作性能。

9. 更換伸縮縫，做好防洪、排水設(shè)施。

10. 增設(shè)主拱及橋墩防撞設(shè)施，設(shè)置導(dǎo)航標(biāo)志以適應(yīng)目前運(yùn)河通航要求。

11. 維修加固后應(yīng)注意后期的養(yǎng)護(hù)，定期檢查。

工程完工后，經(jīng)檢驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，通過(guò)了相關(guān)部門的驗(yàn)收，達(dá)到了加固的目的，效果良好。

三、結(jié)論與建議

采用碳纖維加固可以增加構(gòu)件的抗彎、抗剪能力，能夠在基本不改變?cè)Y(jié)構(gòu)截面尺寸和不增加原結(jié)構(gòu)重量的前提下，提高構(gòu)件承載力，能夠增加構(gòu)件的延性，提高抗震能力。同時(shí)對(duì)構(gòu)件的表面有保護(hù)作用，可有效控制原裂縫的發(fā)展和抑制新裂縫的產(chǎn)生，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，延長(zhǎng)構(gòu)件的使用壽命，達(dá)到提高承載力和耐久性的目的。

與傳統(tǒng)加固方法相比，采用碳纖維材料進(jìn)行橋梁加固，具有加固效果好、施工方便、周期短的優(yōu)點(diǎn)，尤其是其輕質(zhì)高強(qiáng)，便于對(duì)不同受力部位的構(gòu)件進(jìn)行加固，值得在橋梁加固工程中推廣和采用。

需要注意的是，原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)值，不宜簡(jiǎn)單采用原構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。采用纖維復(fù)合材料加固受壓柱時(shí)，原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C15。采用碳纖維復(fù)合材料加固梁、板時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C25。