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双曲拱桥病害原因和加固方法

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作为我国独有的双曲拱桥,经过几十年的使 用,已经证明其组合截面整体性差,拱肋和拱波易 开裂等缺点,以及交通量连年增加和重载不断出 现,许多双曲拱桥出现不同程度的病害,直接威胁 着桥梁的安全使用。
1 病害调查及成因分析
1.1 拱波纵向开裂 
一种为施工裂缝,是脱模起吊时造成拱波开裂,在荷载作用下,其裂缝将进一步扩张;另一种 是波顶纵缝,见图 1 所示,是出现在板波顶部沿拱 轴线方向的裂缝,较多的出现在拱顶附近,有时也 出现在拱脚附近,原因主要是双曲拱桥拱圈横向 联系差或者根本没有横向联系。此外,桥台位移及 超载使用、混凝上的收缩及老化也会产生这种裂 缝。
1.2 拱肋开裂和脱落 
主要有拱肋径向缝(拱顶)和拱背径向缝(拱脚),见图 2 和3 所示,以及拱肋混凝土脱落(见图 4 和图 5 所示)。原因主要是拱肋截面钢筋含量过 少,拱肋的承载力和抗开裂能力小;拱肋受力的不 均匀性,导致单肋受力过大;基础下沉或倾斜等因 素造成的。
1.3 水平缝(环向缝) 
环向缝是产生在拱肋、拱波结合面上,平行于拱轴线的裂缝。环向缝又分为剪力环向缝(见图 6 所示)和法向拉力环向缝(见图 7 所示)两种。剪 力环向缝出现在拱脚附近剪力较大的区段,法向 拉力环向缝出现在拱顶附近弯矩较大的区段。
1.4 横系梁开裂或脱落 
一般横系梁尺寸都较小,强度和刚度也相应较弱,与拱肋联结处抗剪能力也偏小。当承受较大 的外荷载作用时,会因产生较大的内力和变形而 开裂、脱落(见图 8 所示)。
1.5 侧墙鼓胀外倾 
拱上填料多为灰渣,密实度较低,而且容易
积水。受水长期浸泡,拱上填料会产生体积膨胀, 造成侧墙鼓胀外倾(见图 9 和图 10 所示)。


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 图 1 绕阳河桥拱波纵向开裂

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 图 2 咸锅桥拱肋开裂图                3 刘刚子桥拱肋开裂

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图 4 满家桥拱肋混凝土脱落                   图 5 窟窿山桥拱肋混凝土脱落

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图 6 新开河桥拱脚裂缝           图 7 绥青线桥拱顶裂缝

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                         图 8 大钟鼓桥横系梁开裂图 9 窟窿山桥侧墙酥裂、勾缝脱落 

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图 10 二十家子桥侧墙裂缝

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图 11 满家桥立墙竖向裂缝

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图 12 平房桥腹拱圈开裂             图13 窟窿山桥腹拱圈下滑


1.6 立柱(横墙)的上下端开裂 
拱上建筑病害主要是由主拱变形引起的。一般短横墙(立柱)开裂较大(见图 11 所示),高横墙 (立柱)开裂较小,甚至不开裂。这是由于活载、温度变化、混凝上收缩和徐变作用下,主拱圈下挠, 使立柱或横墙两端拉裂。短横墙或立柱抗推刚度 大,主拱圈下挠又多,因而两端裂缝较大。
1.7 腹拱开裂 
腹拱圈开裂主要有腹拱横向、环向开裂(见图 12 所示)和腹拱圈下滑(见图 13 所示),以横向 开裂最为严重。腹拱为多孔构成的混凝上连拱,没 有按主拱变形的需要设铰或只设了简易铰,但起 小到铰的作用。在使用过程中,由于荷载作用、温度变化、主拱变形、混凝上收缩的作用,使腹拱内 产生了较大的内力而引起开裂。腹拱的环向开裂 一般是因混凝上收缩、温度变化等引起,主要是主拱横向小均匀变形,使腹拱墩台发生小均匀下沉 和位移变形而引起腹拱的环向开裂。
总之,双曲拱桥发生较为严重的病害原因为:
a.墩台位移而引起的破坏;b.拱肋强度不足而引起 承载能力的降低;c. 横向联系不足而引起失稳;d. 拱上建筑排水不畅等原因引起的侧墙鼓胀破坏。

2 加固方法
2.1 增大截面法
2.1.1 拱背补强层加固法 
一般先凿除旧桥面及腹拱圈等拱上建筑,再在主拱圈顶上加铺一层钢筋混凝土层,使其与原 有主拱圈形成整体,达到增大主拱圈有效高度和 抗压截面强度,改善双曲拱桥荷载横向分布能力,从而达到提高桥梁的承载能力的目的。采用该法 主拱圈恒载将增大,应通过计算判断补强层增厚 是否可以提高桥梁的有效承载能力。若恒载的增 加影响较大,则应考虑采用其他方法或与其他方 法综合运用。此方法成功应用在苏宝地双曲拱桥,
主拱圈加固立面图见图 14 所示。

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 2.1.2 喷锚拱圈下缘加固法
借助高速喷射机械,将新混凝土混合料连续 地喷射到以锚固好钢筋网的原主拱圈下面(拱肋 外包、肋波结合或拱波下面),凝结硬化而形成钢 筋混凝土,从而增加双曲拱桥的受力截面和补强 钢筋,加强结构的整体性,使其能承受更大的外荷 载作用,提高桥梁的承载能力。锚喷混凝土技术把 双曲拱桥的“拱型”结构变为“箱型”结构,就是锚 喷拱圈下缘加固法的实例之一,加固后的主拱圈 截面如图 15 所示。


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2.1.3 腹拱下缘补强加固法 
当双曲拱桥拱脚发生病害且其他截面都有不同程度的富裕,以及下部结构无病害,同时桥下净 空与泄水面积容许部分缩小时,可在原腹拱圈下 面增设一层新拱圈,即紧贴原主拱圈拱脚上面,浇 注混凝土新拱圈。和拱背补强层加固法相比,省 时、省工,费用底,又不用中断交通。该方法成功应 用在满堂红双曲拱桥,主拱圈立面如图 16 所示。



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2.1.4 拱肋间横系梁加固法 
当横向联系较弱时,可采用加大原拱肋间横系梁截面,或在原横系梁边上另加一根横系梁,以 加强拱肋抗扭刚度和横向整体性。此法一般和前 述方法一起考虑使用,能取得较好的加固方法。
2.2 粘贴钢板(钢筋)、螺栓钢板结合加固拱肋法
2.2.1 粘贴钢板加固拱肋法 
在拱圈产生裂缝或是承载力不足时,可以采用环氧树脂系列在主拱圈的受拉区或在薄弱环节 粘贴钢板,一般粘贴在拱肋底部,以增加主拱圈拱 肋的强度,提高桥梁的承载力与耐久性。
2.2.2 粘贴钢筋加固拱肋法 
鉴于粘贴钢板加固法存在加工、成型比较困难,可采用粘贴钢筋的加固方法。它与粘贴钢板相 比,具有与结构物粘附性能好、加固成型容易、补 强效果更为显著的特点。
2.2.3 螺栓钢板结合加固拱肋法 
有时在粘贴钢板需要螺栓加压。在使用胶粘剂粘贴前,在主拱圈上按一定间距凿孔并埋入螺 栓,然后将预先钻孔的钢板通过螺帽紧固在拱肋 上。利用胶粘剂和螺栓的共同作用使钢板与主拱 圈紧密结合。
这三种粘贴钢板加固方法主要有能基本保持结构 物的原状、结构简单、施工快速、技术含量较高、施 工时车辆通行影响较小等特点。该法和腹拱下缘 补强加固法结合已经成功应用在满堂红双曲拱 桥,主拱圈加固立面图见图 16 所示。
2.3 改变结构受力体系加固法 
当双曲拱桥由于结构强度不够或是地基承载力不足,致使拱脚发生水平位移或转动,拱轴线 发生变形时,在条件允许的情况下,可采取改变结 构体系的方法,来改善拱圈受力状态,已达到加固 的目的。具体加固方法为:a.主拱肋下加水平系杆 加固;b. 腹拱圈拱座处加水平系杆与主拱圈增加 斜撑加固;c. 腹拱圈拱座处加水平系杆与拱脚附近护拱加固。
2.4 减轻拱上建筑自重加固法 
由于拱上建筑自重较大,主拱圈需要承受部分 恒载自重。如果能采取有 效措施,一定程度上减轻 拱上建筑自重,可以明显 改善拱圈的受力情况。特 别是当桥梁承受活载时,基础承载力不足,采取减 轻桥梁恒载自重来提高原 桥承受活载的能力,是一 种经济有效的措施。具体 加固方法为:a. 改变拱上 填料厚度;b. 将腹孔的重 力式横墙挖空,或改变成 钢筋混凝土立柱;c. 将承 重的腹拱体系改变成预制 的钢筋混凝土 T 梁、微弯 板或空心板等轻质桥面
系;d.用轻型拱上建筑取代腹拱式拱上建筑。


 2.5 体外预应力加固法
当双曲拱桥拱顶下缘纵向或横向开裂、桥台 产生位移、拱顶下挠时,可采用在其弹性中心以下 施加体外预应力加固。其实质是以粗钢筋、钢绞线 或高强度钢丝等钢材作为施力工具,对桥梁上部 结构施加体外预应力,以预应力产生的反弯矩抵 消部分外荷载产生的内力,从而达到改善其使用 性能并提高其极限承载力的目的。这种方法具有 加固、卸载、改变结构内力的好处,适用于采用一 般方法无法加固或加固效果很不理想的较高应力 状态下的大跨度桥梁加固。目前采用的加固方法 主要是:a.钢板箍套钢筋拉杆法;b.钢筋混凝土拉杆法。

结束语 
近年来,双曲拱桥已经出现不同程度的病害,直接威胁到公路桥梁的安全使用。但是其破坏部 位、破坏程度和破坏特点等各有不同,所以形成多 样的加固方案。因此,如何合理的提出既安全可靠 又经济实用的加固方案,提高这些在役双曲拱桥 的承载力,对于现役双曲拱桥的维修、加固和改造 具有重要意义。


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