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拱橋加固原理及方法
發(fā)布時間：2014-08-05
拱橋病害情況及原因 針對北京郊區(qū)幾座雙曲拱橋調(diào)查，發(fā)現(xiàn)除了混凝土結(jié)構(gòu)物共存的一些病害外，雙曲拱橋普遍現(xiàn)狀如下：
1.等級偏低，橋的強度、剛度、寬度不夠，不能滿足現(xiàn)在的交通要求。
2.拱肋出現(xiàn)裂縫。
主拱圈的裂縫可以分為縱向縫、徑向縫兩大類：
縱向縫是產(chǎn)生與拱肋和拱波的結(jié)合面上，平行于拱軸線方向的裂縫，其產(chǎn)生的原因主要是主拱圈整體性差和橋臺水平位移較大所致。縱向縫分為法向拉力縱向縫和剪力縱向縫兩種。法向拉力縱向縫多出現(xiàn)在拱頂附近正彎矩較大的區(qū)段，剪力縱向縫出現(xiàn)在拱角附近剪力較大的區(qū)段。
徑向縫是垂直于拱軸線方向的裂縫，主要有拱肋徑向縫和拱背徑向縫兩種，拱肋徑向縫產(chǎn)生在拱頂附近正彎矩較大的區(qū)段，往往是由于橋臺發(fā)生過大的水平位移，拱頂部位正彎矩大大增加，拱肋的拉應力超過極限拉應力所致，拱背徑向縫多產(chǎn)生在拱角附近負彎矩大的區(qū)域，橋臺發(fā)生過大的水平位移也常出現(xiàn)拱背徑向縫。
3. 腹拱破壞。
在對郊區(qū)危改拱橋的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的拱橋腹拱都不同程度的被破壞，尤其在腹拱與橫強交接的部位，常常破碎，這是因為腹拱圈預制分塊太多以及勾縫水泥砂漿標號過低，致使其整體性差，在載荷反復作用下必然導致各腹孔產(chǎn)生不同程度的縱、橫向裂縫。
4. 拱波破壞
舊橋的拱波大部分是預制彎板，板板之間只通過沙漿進行聯(lián)系，由于聯(lián)系薄弱容易形成單板受力，拱波容易被壓壞而出現(xiàn)裂縫，隨著裂縫的擴展拱波容易出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。
5. 橫系梁破壞
由于橫向聯(lián)系薄弱，主拱圈容易出現(xiàn)偏載橫系梁由于和主拱圈是剛結(jié)受力巨大，容易出現(xiàn)應力超限而被拉壞。
6. 橋面系病害：
造成橋面破碎的原因主要有兩個方面，一是缺乏基層，拱橋上填料厚薄不一，對面層的剛性不一，沉陷不一，沙礫填料只能算橋面的墊層，具有足夠的強度但是整體性能差，二是重車交通量增長，加劇了橋面的病害。
另外，材料性能不好，施工工序或施工加載不正確、氣溫條件的影響也是產(chǎn)生和加劇病害的主要原因。
三、加固原理
（一） 首先分析危舊雙曲拱橋內(nèi)力分析的特點：
危舊雙曲拱橋內(nèi)力分析和設計狀態(tài)下的內(nèi)力分析是有明顯區(qū)別的。設計狀態(tài)下，確定了跨度、矢高及拱軸系數(shù)后，只要帶入相應的計算公式中就可以計算出拱圈主要截面的內(nèi)力。危舊雙曲拱橋，由于施工、損傷等原因，可能使主拱圈的拱軸線發(fā)生了較大的偏離，拱軸線不再是設計線形，而變?yōu)橐粭l不規(guī)刻的曲線。這時如果還代入按設計線形推導出的內(nèi)力計算肯定會使計算結(jié)果偏差太大。另外，雙曲拱橋拱上建筑往往采用腹拱，腹拱拱腳存在較大的水平推力，其水平推力和主拱圈中的拉力形成一個力偏共同抵抗外力矩。所以拱上建筑采用腹拱的雙曲拱橋的聯(lián)合作用是較強的。然而，在傳統(tǒng)拱橋的內(nèi)力分析方法中，是把主拱圈的計算和拱上建筑的計算分解開來，假定全部外荷載由主拱圈承受，而拱上結(jié)構(gòu)只是作為把荷載傳遞給主拱圈的局部受力構(gòu)件，不與主拱圈共同作用。這樣處理肯定使計算結(jié)果誤差較大。所以危舊雙曲拱橋的內(nèi)力分析一般不適合采用傳統(tǒng)的內(nèi)力分析方法。針對危舊雙曲拱橋內(nèi)力分析的特點，用有限元法來分析其內(nèi)力是可行的。全橋建立統(tǒng)一的有限元模型，采用適當?shù)倪B結(jié)方式把拱上建筑和主拱圈聯(lián)系在一起，模擬拱上建筑和主拱圈聯(lián)合作用，對于既有雙曲拱橋，可側(cè)出實際拱軸線的位置，用實際拱軸線建立模型，大大提高了計算精度。
�。ǘ� 建立危舊雙曲拱橋有限元分析模型的方法:
建立危舊雙曲拱橋有限元分析模型主要應考慮以下幾個方面:
�、匐p曲拱橋的主拱圈變形較大時，建模應采用拱軸線的實側(cè)坐標；
②考慮拱上建筑的聯(lián)合作用；
雙曲拱橋由于腹拱的存在，聯(lián)合作用往往是較強的，所以，建模時應考慮腹拱的作用。實腹段以及腹拱上方的填料基本土不能承受彎矩，所以這部分可以簡化為兩端與橋面及主拱圈鉸接的桿單元。拱上建筑中橫墻一般具有較大的剛度，而且和主拱圈剛性連接，所以模型中橫墻可以簡化為和主拱圈剛性連接的梁單元；
③對于多孔雙曲拱橋需考慮連拱作用的影響；
多孔雙曲拱橋在荷載作用下，各拱墩結(jié)點會產(chǎn)生水平位移和轉(zhuǎn)角。橋墩結(jié)點的水平位移和轉(zhuǎn)角會引起拱圈內(nèi)力的改變，這種作用稱為連拱作用。當橋墩和主拱圈剛度比較小時，連拱作用是非常明顯的。建模時多孔拱橋應該建立統(tǒng)一的模型，模型中也應該包括中間橋墩；
�、苋绻鞴叭σ丫植块_裂。則應按不同的情況分別考慮。開裂不嚴重，可按土拱圈剛度折減來計算;開裂嚴重，裂縫甚至已沿全截面貫通，則該截面已成為一個鉸，結(jié)構(gòu)體系就發(fā)生了根本改變，應重新建模。
四、常用加固方法
針對上述病害，目前常用的加固技術(shù)有：
�。�1）鋼筋混凝土套箍封閉主拱圈加固技術(shù)：
拱肋加固應根據(jù)地形環(huán)境、地質(zhì)水文、氣象情況、施工質(zhì)量、病害嚴重程度、調(diào)查檢測結(jié)果、荷載試驗、計算結(jié)果、橋梁重要性及社會影響等綜合考慮，進行方案設計。
1.如果施工質(zhì)量有問題，首先應該對拱肋進行修補。
2.如果拱肋只是局部強度不足，可局部粘貼鋼板或碳纖維補強。
3. 如果拱肋病害是由于墩臺變位引起的，則重點應加固墩臺，讓墩臺復位穩(wěn)定。例如可采用頂推拱座的辦法復位基礎水平變位。
4. 如果兩拱肋在荷載作用下相對變形較大，橫系梁較弱，則應加強橫向聯(lián)系，在拱肋、立柱、縱梁間增設橫系梁，以加強橫向整體性。
5. 對于特別重要的橋梁，例如一旦斷道加固施工就會造成整條路線的交通中斷，附近還沒有繞行路線，社會影響較大，在設計加固方案時應考慮更為安全可靠、安全儲備較大、經(jīng)久耐用、一勞永逸的加固方案。此時可改變拱肋的結(jié)構(gòu)形式，例如在中間加肋將肋拱變?yōu)榘骞�，或改變拱上�?gòu)造將肋拱變?yōu)槲黾芄埃蚣永骼」袄邔⒗吖白優(yōu)樾崩皹�，或增加墩柱減小跨徑等，必要時也可撤掉肋拱橋重新修建其它橋型。
為了提高原橋的受力整體性和承載力，增強結(jié)構(gòu)的整體耐久性能，采用變截面鋼筋混凝土套箍封閉主拱圈技術(shù)對主拱圈進行加固，即沿主拱圈外環(huán)現(xiàn)澆增設一層鋼筋混凝土套箍層，利用截面增大、斷裂力學及“套箍效應”三個機理，達到提高原橋承載力的目的，其工序如下：
主拱圈表面鑿毛——安設主拱圈砂漿錨桿——主拱圈縱橫鋼筋就位——現(xiàn)澆鋼筋混凝土套箍層——混凝土養(yǎng)生。為使主拱圈受力更為合理，鋼筋混凝土套箍層沿縱向采用變截面的型式。
�。�2）立柱
一般立柱強度及穩(wěn)定均不會有問題，如不足，可采用增加縱橫系梁或環(huán)包碳纖維的方法處理。立柱端頭局部混凝土壓碎，可采用環(huán)裹鋼筋網(wǎng)加大柱截面的方法處理。
�。�3）橋面板
1.部分換板
由于板的剛度不足，重新預制安裝剛度和配筋均加強的板。
2改善脹縫狀況
對橋面板的縱縫，要沖洗干凈，風干后壓人環(huán)氧樹脂砂漿。
3改造板間鉸縫
橋面板設計是按鉸接板法計算內(nèi)力，鉸縫的澆注質(zhì)量決定板間內(nèi)力。
�。�4） 輕質(zhì)拱上填料
對于舊橋更換拱上填料時盡量采用輕質(zhì)的陶粒混凝土，并嚴格保證陶�；炷恋拿軐嵍仁沟霉皹蚪Y(jié)構(gòu)協(xié)同受力。
�。�5）改善排水
五、實例分析
孫湖溝橋位于懷柔區(qū)崎峰茶鄉(xiāng)，是延琉路（K68+357）上的一座砼雙曲拱橋。此橋始建于1970年，該橋全長48米，計算跨徑30米，矢跨比1： 9.93，1989年曾對該橋的上部進行過加固。由于該橋在使用過程中出現(xiàn)了拱肋破損，出現(xiàn)了漏筋現(xiàn)象，并且腹拱基座出現(xiàn)裂縫屬于危改橋梁。我單位對孫湖溝拱橋的加固進行了詳細的分析。
結(jié)合懷柔區(qū)延琉路孫湖溝拱橋危橋特征，建立有限元分析基本模型。
經(jīng)分析在施加公路I 級并且整體降溫30度后,拱肋拉應力超限,即使拱肋加寬也達不到公路I級標準,于是我們提出了拆除重建的加固方案,新建整體式板拱.
其結(jié)構(gòu)主要為:
�、僦鞴叭Σ捎矛F(xiàn)澆鋼筋砼板拱.
�、跈M墻為現(xiàn)澆鋼筋砼實心墻。
③腹拱采用預制鋼筋砼板拱。每孔腹拱橫橋向有6塊中塊和2塊邊塊組成。
�、芄吧咸盍蠟樘樟；炷�。填料層兩側(cè)為50厘米寬的砌石側(cè)墻。
�、萏盍蠈由蠟�25厘米厚現(xiàn)澆鋼筋砼橋面板，板上鋪BCW-100防水層。橋面鋪裝采用AC-16C中粒式瀝青砼，厚度為5厘米。
�、薰白鶠橹亓κ戒摻铐殴白�
通過Ansys有限元計算我們最終確定了拱橋的斷面形式,以及結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造,有限元分析拱橋并作為輔助設計手段應該值得推廣.
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