复合拱圈加固圬工拱桥加固技术探讨

乔天　乔文靖　徐思平

摘 要：钢筋混凝土复合拱圈加固法是圬工拱桥加固中最常用的一种方法，本文从复合拱圈加固圬工拱桥加固构造、使用材料、受力特点和技术特点论述了该加固方法，综上考虑复合拱圈加固法施工工艺流程清晰，施工工程量不大和施工技术较简单，故该加固技术值得在工程实践中推广和应用。

关键词：复合拱圈；加固构造；受力特点；工程实践

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.066

0 引言

圬工拱桥由于造价低廉，造型优美，取材方便，潜在的承载力大等优点，大部分修建于20世纪60～70年代。但是现存在役拱桥，由于设计病害较多和荷载标准较低，已不适用交通量日益增长的需求。将这些圬工拱桥全部重建，既不科学也不现实。因此，危旧圬工拱桥的加固维修，其任务十分繁重。对圬工拱桥的加固设计和施工方法，进行深入系统的理论研究与技术完善，该方法有重大的社会和经济效益。常用的圬工拱桥加固方法是钢筋混凝土拱肋加固主拱圈的加固法，将一层钢筋混凝土拱肋增设在原拱圈的两侧面和拱腹，以此增大拱圈横断面，形成圬工和钢筋混凝土的复合拱圈，提高圬工拱桥承载能力 [1-2]。

1 圬工拱桥复合拱圈加固加固方法的构造技术

当圬工拱桥承载力不足时，可以采用复合拱圈加固法，而导致圬工拱桥承载力不足的原因主要有圬工拱圈开裂、拱石风化、砂浆脱落和圬工拱圈发生不可恢复的变形等情况。该加固技术将钢筋混凝土拱肋设置在原圬工拱圈两侧面和拱腹，或仅在原拱圈拱腹增设钢筋混凝土拱肋，增设拱肋之间用横系梁连接，最终形成钢筋混凝土加固层与原圬工拱圈共同承载的复合主拱圈。复合主拱圈以增大复合结构强度和刚度，在荷载作用下，协调变形，共同作用，提高加固后圬工拱桥承载力。加固中应特别注意新旧拱圈的密切结合，为了使原拱圈与新增拱肋共同受力，有效地联结，需要在原主拱圈顶面下预埋锚固钢筋，预埋钢筋安装时，需要伸出顶面，即穿透拱圈，与现浇加固层中的钢筋网焊接[3-4]。钢筋混凝土复合拱圈加固设计能有效提高结构的整体性和耐久性。其中主拱圈是圬工拱桥的主要受力构件，由于桥梁超载和常见病害引起圬工拱桥承载力不足，采用钢筋混凝土形成的复合拱圈加固圬工拱桥可以改善承载力功能失效[5-6]。因施工工程量不大、施工技术较简单和工艺流程清晰，故该加固技术值得在工程实践中推广和应用。

目前，复合拱圈加固圬工拱桥技术分为钢筋混凝土拱板加固技术，拱肋加固技术和板肋加固技术。增设钢筋混凝土拱板主要针对主拱圈较窄的圬工拱桥，将钢筋混凝土制成的拱板加固层，沿原主拱圈的拱腹下增设一层，形成复合拱圈。根据复合拱圈共同作用和协调变形来共同承担后期荷载，提高加固后桥梁的承载力，以此，达到增大复合拱圈刚度和强度的目的。若拱圈宽度较大，可以采用钢筋混凝土板肋和拱肋加固，改善主拱圈病害严重，提高结构承载力严重不足的拱圈结构。钢筋混凝土拱肋加固是在拱腹下增设钢筋混凝土拱肋，拱肋的数目和尺寸可以根据计算确定，可以在拱肋之间增设横系梁加固，增强拱肋与原拱圈之间的横向联系，同原拱圈共同承担后期恒载。钢筋混凝土板肋加固可以先增设钢筋混凝土拱肋，可以根据计算确定拱肋的数目和尺寸，之后再现浇混凝土横系梁或拱板，与之前浇筑好的拱肋共同参与原主拱圈受力变形和承担后期荷载。目前较为实用的是钢筋混凝土板肋和拱肋的加固技术，因为拱肋加固层自重较小，减轻原结构的负担，在原主拱圈内不会产生较大的附加恒载，同时可以节省材料用量[7-8]。

2 复合拱圈的受力特点

2.1 复合拱圈的受力性能

复合拱圈由钢筋混凝土加固层和圬工原拱圈组成，其受力特性与原主拱圈单纯受力，有一定的差异，其受力特征主要体现在：

（1）加固后的拱圈属于复合截面。复合拱圈由钢筋、混凝土和圬工砌体这三种材料共同合成，因此，必须控制好原拱圈和加固层的施工工艺和处理技术，使新老拱圈之间能够共同工作和协同受力。基于的大量工程实践研究结果，在加固[基金项目：1、 西安工业大学大学生创新项目；2、 西安工业大学校长基金（XAGDXJJ14019）]结构中，组合截面会出现弯、剪、拉、压等复合应力，其中以剪力和拉力为主。当复合拱圈承受荷载，处于弹性工作阶段时，加固层和原拱圈共同承担组合截面的法向应力和剪应力。而当复合拱圈承受荷载，在开裂极限即塑形阶段时，锚固筋承受荷载而产生的剪切磨擦力，这部分力承担了复合拱圈的法向应力和剪应力。基于上述研究，新老拱圈的粘结好坏是加固的关键技术，该技术直接影响着复合拱圈的受力。所以，加固时必须要对原拱圈和加固层进行涂刷处理，二者之间需要增配适量的锚固钢筋，增强原主拱圈和加固层之间的粘结性，使原拱圈和加固层作为复合截面，协同受力和传力有效，达到共同工作的目的 [9]。

（2）加固结构二次受力。复合拱圈加固前后的原拱圈的受力差别较大，因为复合拱圈新增钢筋混凝土加固层的二次受力，这种受力特性的变化给加固后复合截面承受荷载时，其验算增加了复杂程度。复合截面的原拱圈除了承担自身重量之外，还承担了新增加固拱圈的重量，这样，加固前原拱圈承载能力已部分使用，而加固拱圈潜在承载力能力与原拱圈余下的承载能力共同承担新增荷载。基于上述分析，新老拱圈复合截面在共同承担的新增荷载中，原拱圈中的应力和应变将一直延滞于新的复合拱圈中，产生应变和应力。基于复合拱圈二次受力性能的差别，所以普通钢筋混凝土结构和加固结构的原理和方法对加固结构受力进行计算时不可以照搬。

2.2 原拱圈砌体受压破坏的过程

复合拱圈在承受后期荷载直至破坏，主要是圬工部分受压破坏。为了更好研究复合拱圈受力性能，有必要研究砌体结构的受压破坏过程。基于国内外大量的工程实践和试验研究数据，受压砌体从开始加载直至破坏，根据砌体结构中裂缝出现的部位和时间段，以及其裂缝延伸的情况，破坏过程主要有：

第一阶段：对砌体加载，当荷载逐渐增大，砌体上出现第一批裂缝。此时，单块砌块内显现微小裂缝。最后，通过试验结果表明，当荷载为最终破坏荷载的50～70%时，第一批裂缝产生于砌体内。endprint

第二阶段：随着施加荷载逐渐增大，单块砌块内不断发展裂缝，逐渐连的裂缝通成一整段形状，该裂缝沿砌体竖向发展到相邻砌块内。此时，荷载恒定不变，但是砌体中裂缝宽度和长度仍会继续发展，测试的千分表指针读数继续增大，此时的荷载约为破坏荷载的80～90%之间。

第三阶段：继续增加荷载，砌体的裂缝会继续加大和加宽，砌体结构因为被压碎而丧失稳定性，结构完全破坏，此时的试验强度称为砌体的破坏强度，其荷载称为砌体破坏荷载。

综上所述，当圬工砌体承受压力时，砌体内的砌块受力状态是极其复杂的，不再是理想中的均匀受压状态，而是弯曲、剪切和拉应力的共同作用。砌块的抗压强度较高。故在复合拱圈加固圬工拱桥破坏过程中，要充分考虑砌体受压破坏过程。

3 复合拱圈加固圬工拱桥的技术特点

圬工拱桥采用复合拱圈加固技术，整体上提高结构的耐久性和整体性，较大幅度地提高复合拱圈的极限承载力，达到增大复合结构强度和刚度的目的。其加固技术优点如下：

（1）钢筋混凝土加固层增大了原主拱圈的截面尺寸，当复合拱圈共同作用并承担后期荷载时，复合结构会协调变形，以此达到增大复合拱圈刚度和强度，提高加固后圬工拱桥承载力的目的。

（2）原主拱圈与新增钢筋混凝土加固层共同作用，分担桥梁荷载，可以减小原主拱圈在荷载作用下的拉压应力，加固结构受力更为合理。

（3）钢筋混凝土加固层可以采用现场浇注施工，达到较高的混凝土强度，其加固增强效果较喷射混凝土等技术更为显著。

（4）钢筋混凝土加固层加固圬工拱桥的主拱圈，加固结构耐久性好，主拱圈的抗腐蚀性，防水性和抗风化性较好。

（5）因施工工程量不大，所以从施工技术层面考虑，该施工工艺流程清晰，施工技术较为简单，故钢筋混凝土复合拱圈加固技术值得广大工程技术人员在工程实践中大力推广和应用。

（6）从社会影响角度来看，复合拱圈加固过程中，可以不必中段中断交通时间或中断时间相对较短，其对社会交通影响较小。

综上所述，对这种在役危旧圬工拱桥的复合拱圈加固理论和施工工艺进行深入系统完整的技术开发与理论研究，是有着重大的社会和经济效益，可以促进广大县乡地方的经济发展，对支持国民经济发展和我国公路建设也有重要的意义。

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[9]吴跃梓，章劲松.增大截面法加固石拱桥的技术应用[J].合肥学院学报，2012，22（03）：79-82.

基金项目：1、 西安工业大学大学生创新项目；2、 西安工业大学校长基金（XAGDXJJ14019）

通讯作者：乔文靖（1981-），女，西安人。endprint