钢筋混凝土箱型拱桥加固设计及加固方法

姜 如

(中铁二局集团勘测设计院有限责任公司，四川成都610031)

钢筋混凝土箱型拱桥是20世纪70～80年代拱桥建设史上的代表桥型。限于当时设计、施工等局限，使该类桥梁结构存在先天的不足，同时在长期重荷载和大交通量运营的情况下，如今大部分桥梁都出现了不同程度的病害，乃至危及整个桥梁的安全。如何处理这类桥梁病害，是交通主管部门较为关注的问题之一，故对钢筋混凝土箱型拱桥的病害及加固技术进行研究，具有一定的现实意义。

1 桥梁结构现状

该拱桥建于20世纪80年代，桥梁全长89.7 m，桥面宽8.5 m,横向布置为：0.75 m(安全带)+7.0 m(行车道)+0.75 m(安全带)。桥梁原设计荷载：汽车-20级，挂车-100。桥梁为1×60 m空腹式悬链线箱型拱桥，矢高7.5 m，矢跨比1/8，拱轴系数m=2.814。主跨上部结构为预制混凝土箱型拱桥，主拱圈由5片拱箱组成，主拱圈的厚度为130 cm，宽700 cm；主拱两侧分别设4孔腹拱，腹拱为圆弧拱，其矢跨比为1/5～1/7，腹拱顶与主拱顶高程相同，腹拱由分片预制的拱圈块件拼组而成，拱圈厚度均为25 cm；下部结构为重力式桥台，扩大基础，桥面为水泥混凝土铺装；左右侧护栏均为混凝土护栏。该桥总体布置情况如图1所示。

图1 拱桥全景

2 病害状况及原因分析

2.1 病害状况

根据检测单位检测结果和现场调查：该桥主拱圈完好，尚能满足汽车-20级，挂车-100的正常使用要求，但由于两岸边腹拱拱脚错位、拱圈开裂严重，桥梁技术状况评定为五类，处于危险状态，应立即封闭交通，主要病害为：

(1)桥梁两岸边腹拱与侧墙脱开，边腹拱拱脚处最大错位5 cm左右。边腹拱内底部存在多条横向及纵向裂缝，裂缝宽度超过规范限值，且裂缝内渗水，桥梁结构存在较大安全隐患，如图2～图3所示。

(2)桥台：两岸桥台前墙有渗水痕迹，其中大里程侧桥台前墙自顶部向下出现1条竖向裂缝，裂缝深度为116.50 mm，裂缝宽度达到0.50 mm。

(3)桥面铺装：桥面铺装共出现明显坑洞及多处横向贯通裂缝。

图2 腹拱拱圈与墙脱开

图3 腹拱底部横向开裂

2.2病因分析

边腹拱拱脚错位及腹拱跨中开裂，现场调查发现，端腹拱为简单支撑体系，拱脚位置未见铰缝处理，也未设置变形缝，腹拱前墙拱脚贴合处构造角度较小，对拱圈约束作用较弱，且未设置防落梁构造。同时因本桥位于我国西部山区，整体升降温幅度比较大。在降温作用下，由于主拱圈的变形引起腹拱圈横墙及腹拱圈在顺桥向朝河心方向发生变位，端腹拱河岸侧拱脚未设置有效的饺结构，对腹拱拱脚纵向水平位移基本无限制作用，导致腹拱前墙与腹拱圈不能协调变形，拱脚贴合面处腹拱圈与腹拱前墙间在降温作用下呈剥离趋势；而后在升温作用下，由于主拱圈的变形引起腹拱横墙及腹拱圈在顺桥向向河岸方向发生变位，端腹拱拱圈拱脚已错位、下沉，与腹拱前墙抵死而不能复位，导致腹拱圈计算跨径减小，在升温作用下受到来自水平方向的挤压作用，拱顶截面承受较大负弯矩上缘发生开裂；桥台前墙出现裂缝，因桥台是大体积混凝土结构，在施工时因为混凝土开裂和基础的不均沉降引起的；桥面铺装损害，主要是超载及养护跟不上引起的。

3 维修加固方案

针对桥梁主要病害，腹拱拱脚错位和腹拱跨中开裂，主要提出了两种加固方案。

3.1 方案一：改拱式拱上建筑为连续板式拱上建筑

方案一如图4所示，主要加固要点为：

图4 方案一加固示意图

(1)首先对全桥进行全面的检查，对裂缝、漏筋等桥梁固有病害进行处理。

(2)拆除全桥范围内的桥面系部分(含人行道、栏杆、桥面铺装)。

(3)拆除两侧腹拱圈范围内的拱上填料、侧墙和腹拱圈及横墙上部垫梁，在拆除时注意两桥台侧对称拆除。

(4)对横墙进行加高加固处理,桥台前墙凿出部分混凝土作为现浇梁支撑,1号横墙顶环保碳纤维布进行补强，大里程侧桥台前墙通过植筋浇筑25cm厚混凝土进行加固。

(5)在主拱圈上搭设支架，现浇空心板梁。

(6)恢复全桥桥面系部分及排水设施。

(7)安装两侧桥台伸缩缝。

(8)施工过程中，务必保证对称、均衡施工，保证主拱圈受力对称、均衡。

3.2 方案二：加固腹拱圈

方案二如图5所示，主要加固要点为：

图5 方案二加固示意图

(1)桥梁裂缝、漏筋处理及大里程桥台前墙加固同方案一。

(2)临时支撑体系,拆除两侧桥台2号横梁外桥面系部分、拱上填料、侧 墙及1号和2号腹拱圈。

(3)1号腹拱前墙处做牛腿，2号和3号横梁上外包混凝土，均先植筋，再浇筑混凝土。

(4)先现浇2号腹拱，再现浇1号腹拱。

(5)恢复1号和2号腹拱上侧墙及拱上填料，拱上填料采用砂砾石。

(6)恢复拆除的桥面系部分及排水设施。

(7)安装两侧桥台伸缩缝。

(8)施工过程中，务必保证对称、均衡施工，保证主拱圈受力对称、均衡。

3.3 方案选择

方案一通过改变拱上建筑的结构体系，减轻了拱上自重，改善了结构受力状况，使主拱圈的强度富余量更加合理，且后期养护比较容易，彻底解决了桥梁的既有病害,但造价相对较高、施工难度较大；方案二针对性较强，施工难度和造价相对较低，通过设置牛腿，更换1号和2号腹拱圈，完全满足设计要求，但结构体系和拱上荷载基本没有变化，在长时间运营中，可能会出现新的病害，且主拱圈的强度富余量不够合理。经专家评审,将方案一作为本桥的最终施工方案。

4 计算分析

4.1 结构建模

本次计算采用桥梁博士V3.2进行内力计算，根据《公路圬工桥涵设计规范》(JTG D61-2005)进行相关强度及稳定验算。验算活载采用公路-II级，双车道，整体升降温均按20℃考虑。主拱圈强度计算时，考虑5%的旧桥折减，全桥模型如图6和图7所示。

图6 全桥模型(加固前)

图7 全桥模型(方案一)

4.2 主拱桥强度验算(加固前)

主拱圈加固前成桥阶段强度验算结果如表1所示。

表1 主拱圈加固前成桥阶段强度验算结果

从表1可知：原拱桥成桥阶段满足04版规范要求，成桥阶段拱脚富余量3.0%、拱顶富余量69.3%，拱脚富余量偏小。

4.3主拱圈强度验算(方案一)

主拱圈加固后(方案一)成桥阶段强度验算结果如表2所示。

表2 主拱圈加固前成桥阶段强度验算结果

从表2可知：方案一通过调整拱上建筑结构体系，成桥阶段主拱圈拱脚富余量35.8%，较原桥富余量增大32.8%，拱顶富余量35.5%，较原桥富余量减少33.8%，总的来说，主拱圈的强度富余量更加合理。

4.4 施工阶段主拱圈变形控制

全桥拆除过程中共分为3个阶段：

第一阶段：拆除全桥人行道、护栏及桥面铺装；

第二阶段：拆除腹拱圈的拱顶填料；

第三阶段：拆除腹拱圈。

本桥在拆除桥面铺装、腹拱顶的拱上填料及腹拱圈的施工过程中，主拱圈的拱脚、1/4处及拱顶的最大变形量按表3控制。

表3 施工阶段主拱圈变形量

5 结论

(1)修建于20世纪70～80年代的预制混凝土箱型拱桥大多参照当时的通用图设计施工,在国内西部较为常见,腹拱错位在同类型桥梁中均有发现,跨径越大整体降温温差越大,病害越明显。

(2)针对预制箱型拱桥腹拱错位错位的加固方案,主要有两种方法,一种是调整拱上建筑结构,变腹拱圈为梁式结构，另一种是加固腹拱圈结构本身,如设置牛腿、更换腹拱圈、粘贴钢板等方法，两种加固方法均有工程实例，具体加固方法应根据病害状况和工程造价等综合确定。

(3)拱桥加固时拆除原拱上建筑,技术要求非常高,必须严格按照对称、均衡、分层的原则进行，且要随时对主拱圈的变形进行观测，并进行必要地防护支撑，确保施工过程中结构的稳定，在设计时，应充分考虑主拱圈在各个施工阶段的变形控制值及必要地防护支撑措施，以利于指导施工，但这一点在设计时往往被忽略掉，应引起重视。

(4)本桥加固后已进行了近两年的运营,经过荷载试验和检测,桥梁的技术状况良好,达到了预期效果,取得了较好的经济效益和社会效益,可为同类型桥梁加固改造提供借鉴。

[1] 董珍林.预制混凝土箱型拱桥腹拱错位的加固与分析[J].城市建设理论研究,2011，(10)

[2] 张淼.钢筋混凝土箱型拱桥病害分析及维修加固方法研究[D].西南交通大学，2009