双曲拱加固提载技术研究与实践
双曲拱桥是我国在总结古老拱桥技术基础上发展而来的一种桥梁结构形式，这种桥梁具有结构新颖、轻巧、省料、便于施工、较高强度和稳定性的特点，在上世纪六七十年代曾得到广泛推广。然而由于设计和施工经验不足以及其他种种原因，不少双曲拱桥承载能力低，在使用一定时期后，就出现了不同程度的病害。随着交通量和车辆载重的增加，桥梁存在着较大的安全隐患，同时现有桥梁一般位于交通咽喉部位，建设时占据了有利位置，推倒重建会长时间影响交通，且需要大量资金投入。因此正确分析桥梁病害原因，采取有效加固措施，该类桥还是可以继续使用的。因此，对现有双曲拱桥的结构性能进行检测和评价并提出加固方案，对于保障桥梁结构安全、保障交通畅通都具有重要意义。
1、工程概况
大通河宏图桥位于兰州市红古区河桥镇，是连接连城铝厂和当地人民与外交通的重要桥梁。该桥建始于上世纪六十年代末，1971年正式投入使用，设计荷载为汽-13，挂-60级，桥梁形式为4×45m上承式钢筋混凝土双曲拱桥，矢跨比为0.125，拱轴线为悬链线，全长192m，桥面宽8m，其中车行道6m，每侧各1m人行道。主拱圈为六肋五波，拱肋断面为矩形，250#钢筋混凝土，桥墩（台）为170#混凝土，基础采用扩大明挖基础，150#混凝土。桥址处年气温变化在-20℃~40℃之间，多年少雨，气候干燥。桥梁概貌见图1。要求加固后桥梁承载能力满足汽车-20级、挂车-100的荷载标准。
图1 原桥概貌
2、病害状况及原因分析
2.1 病害状况
通过进行表观损伤检查、混凝土强度测定、碳化深度测定和动静载试验等一些检测，该桥梁主要存在着以下病害：
（1） 拱肋：全桥拱肋未发现有影响结构受力的病害，但均出现少量的纵向裂缝，裂缝宽1mm左右，局部钢筋有锈蚀痕迹，混凝土胀裂、脱落比较严重，拱墙与拱肋连接处有破坏情况，平均碳化深度达到6mm，实测抗压强度21.4MPa。
（2） 拱波、横系梁：各跨拱波均有较严重破坏，其中第二跨~第四跨横系梁有破坏，拱波中央出现纵向贯通裂缝，裂缝宽0.5~2mm，平均碳化深度达到6mm，实测抗压强度15.7MPa。
（3） 腹拱圈及拱上侧墙：腹拱结构破坏严重，许多腹孔及立墙上均有渗水痕迹，混凝土大片脱落，平均碳化深度达到8mm，实测抗压强度15.1MPa。
（4） 桥台（墩）、拱座：桥墩未发现有影响结构受力的病害，但均存在竖向裂缝，其中0#桥台12条、1#桥墩28条、3号桥墩32条、甜桥台130条，长度均在1~3m之间，但裂缝多为早期出现的，裂缝宽0.1~2mm，因年代较久，沿缝出现白色晶体析出物，平均碳化深度达到9mm，实测抗压强度18.7MPa。
（5） 桥面系：桥面铺装层及排水系统完全破坏，人行道路缘石受机动车撞压，破坏严重，人行道栏杆损坏严重。桥面的损坏加大了车辆通行时产生的冲击系数，严重影响了大桥的使用和舒适性，也加剧了桥梁结构的破坏。
2.2 成因分析
根据既有桥现状，综合分析产生病害的成因主要有以下三个方面的原因。
（1） 设计方面的原因
该桥修建于上世纪60年代末期，在构造设计上反映了我国上世纪六、七十年代双曲拱桥的设计特点，拱圈在构造上整体性不好，其中主拱圈刚度相差悬殊，极易产生纵向收缩裂缝，也不利于横向挠度及内力的传递，重车偏载时极易出现拱波顶纵向裂缝，而且由于拱肋和拱波、拱板混凝土标号差异较大，增加了混凝土收缩差和温差内力。拱肋与拱波、拱板间结合面过小，联结构造太弱。该桥拱肋之间的横向联系薄弱，拱肋间横系杆虽能满足平衡拱波推力的需要，但刚度太小，属半柔性构件，对拱圈横向整体性作用甚微。
（2） 施工方面原因
该桥在施工时，由于受当时施工条件的限制，采用将拱肋预制安装的无支架施工方法，在拱肋预制时由于预拱度预留不准确，拱肋安装后拱轴线有偏离设计拱轴线的现象。
（3） 运营养护及后期交通量增长的原因
作为本地区交通线上的重要公路桥梁，该桥自建成以来承担当地绝大多数交通任务，而且随着经济的发展车辆向大型化发展日趋明显，来往车辆日益增多。桥梁设计荷载为汽-13、挂-60级，即车队中重车总重为200kN，而现有车辆远远大于设计荷载，虽然空腹式双曲拱桥腹拱相对计算模型而言对主拱有一定卸荷作用，但长期的超载运行，势必会对大桥的疲劳破坏加剧，加之后期运营过程中养护不及时，桥面设施和防水破坏严重，导致桥梁的承载能力降低，安全隐患是相当突出的。
图2 早期双曲拱桥常见的病害实例
2.3 荷载试验
通过静载实验表明，该桥控制截面上各个测点上的应力基本上未出现异常变化情况，且实测值的变化规律和理论分析结果基本保持一致，实测最大拉应力为0.82MPa，实测最大压应力为0.93MPa，均未超过规范规定的限值。通过动载实验，实测频率与理论频率的比值在1.03~1.05之间，说明桥梁结构在竖向、横向和纵向的动力刚度满足设计要求，阻尼比的实测值为0.02195，小于《公路桥梁承载能力检测评定规程》中规定的0.5，由动应变算出最大动应力为1.28MPa，动应力未超过规定的最大拉应力1.55MPa。荷载试验表明桥梁主要承载部位无结构性的损伤。
通过对该桥的计算分析，考虑安全同时兼顾长远利益，通过对该桥进行全面加固，并依靠加固后该桥自身的结构来达到满足通行汽车-20级；挂车-100荷载车辆是切实可行的，故决定本桥按旧桥加固利用并拓宽设计。
3、桥梁加固方案
3.1 加固设计原则
桥梁加固主要的目标是维持其正常运营，提高结构构建的耐久性，最大限度的提高桥梁的承载能力。该桥通过30多年的运营，在目前车辆大量超限超载的情况下，还没有出现较大变形，说明该桥的总体承载力水平还是比较高的，但是长期的超载、超限运营也使大桥处于超负荷应力状态（高应力状态），尽快按现有通行车辆荷载等级要求进行加固是必要的，加固的设计原则为：最大限度利用旧桥结构，加固方案经济、合理，结构安全，施工方便。加固的具体范围主要是：（1）拱肋及横系梁；（2）桥面系及拱波、腹拱等；（3）拱脚裂缝及墩台身裂缝等三方面。加固方案主要围绕旧桥裂缝进行修补，补强主拱圈，加强横向联系，提高整体刚度的原则进行方案比选。
3.2 加固设计要点
双曲拱桥加固补强方法很多，比较常用的有：（1）以锚喷或现浇混凝土方法增加拱肋受拉区钢筋及加大拱肋断面；（2）以钢板粘贴加固拱肋等主要承重结构，并结合碳纤维补强拱波、立柱辅助承重结构等；（3）以体外预应力加固增强等；（4）钢筋混凝土整体式板肋套拱等。以上方法均有各自的适用范围，综合技术、经济比较，根据此桥损害的特点，决定采用方法（2）加固本桥，即以钢板粘贴加固拱肋，以提高承载能力；增强拱肋间横系梁截面，以增加桥梁整体刚度。对既有拱波、腹拱及拱脚等应力集中、容易产生裂缝的部位采用碳纤维布补强，以提高桥梁耐久性。此方案既可解决既有构件裂缝露筋产生的钢筋锈蚀问题，提高了桥梁结构的耐久性，同时拱肋粘贴钢板后增加了构件受力截面，相应也提高了桥梁整体结构的承载能力。
3.2.1主拱圈加固
主拱圈是双曲拱桥的主要受力部位，也是本次加固的关键，为改善拱顶、两拱脚的受力状态，采取对全桥拱肋底板粘贴6mm厚Q235a钢板，拱脚的拱背上缘现浇5~20cm厚钢筋混凝土，增大拱脚区段的截面刚度，改善拱脚、拱顶两个控制截面的受力状态，提高大桥的承载能力。拱肋加固前要先对原病害进行修补，凿除锈胀混凝土，露出主筋，除锈，补焊主筋，用环氧混凝土恢复补焊钢筋处的混凝土保护层，粘贴钢板涂刷防绣漆。
3.2.2拱波加固
拱波裂缝采用必可法修补，先对裂缝采用注胶修补，再在表面沿横向粘贴一层碳纤维布补强，封闭裂缝。碳纤维采用HT300-50，厚度0.167mm，重量300gc/m
2，抗拉强度大于3400MPa，断裂延伸率大于1.5%。粘结用胶与纤维布配套，正拉粘结强度大于3.0MPa。施工环境温度在5℃~35℃范围内，相对湿度不大于70%。加固混凝土构件长期使用环境温度不应高于62℃。
3.2.3横系梁加固
对第二跨~第四跨横系梁加固处理，增大断面尺寸，增加钢筋，改善受力条件。凿除拱肋与横系梁连接部分混凝土，露出钢筋，补焊钢筋，浇注混凝土。
3.2.4腹拱圈及拱上侧墙加固
腹拱加固采用植筋挂钢筋网浇筑混凝土法，即凿除拱圈、拱墙和横隔墙表面混凝土，露出主筋，再种植锚固钢筋，布设钢筋网，钢筋网与种植钢筋焊接，钢筋网起到加强现浇部分混凝土、抑制横向裂缝的作用。锚固短钢筋植于拱肋和拱板中，加强了新、老混凝土的联结；并增大结合面的抗剪能力，使新、旧结构共同变形；同时锚固短钢筋起到了架立钢筋的作用。混凝土表面涂界面剂，浇注8cm厚混凝土。
3.2.5墩台、拱座加固
墩台、拱座没有严重损坏现象，主要是对桥台（墩）、拱座裂缝采用必可法工艺注胶修补。
3.2.6桥面系补强，
由于桥梁桥面系破坏严重，维修时对原桥面铺装层全部拆除，浇筑20cm厚C30钢筋混凝土，把简支桥面转为连续桥面，再做FYT系列防水层，铺装8cm沥青混凝土面层。桥面铺装施工时做好排水系统和泄水孔。预制安装悬臂式人行道板，加宽桥面，原钢筋混凝土扶手更换为钢栏杆。伸缩缝全部拆除，重做TST碎石弹性连接，桥头补做钢筋混凝土搭板。
3.3 加固计算分析
3.3.1计算模型
根据既有桥实测数据，将主桥结构L=45m拱桥作为分析对象，主要用于纵向静力计算，对其内力、应力以及变形状况进行分析。本模型采用通用有限元MIDAS/Civil程序进行计算。按照主桥的实际构造进行结构离散，共划分单元398个、397个节点。计算模型见图3。
3.3.2荷载组合
（1） 组合I：（正常使用极限状态下短期效应组合），见表1。
（2）组合II：（正常使用极限状态下长期效应组合），见表2。
（3） 组合III：（正常使用极限状态下效应标准值组合），见表3。
（4） 组合IV：（正常使用极限状态下效应标准值组合），见表4。
（5） 组合V：（承载能力极限状态下），见表5。
（6） 组合VI：（承载能力极限状态下），见表6
3.3.3内力计算结果
内力计算见图4~图6。
3.3.4截面检算结果
将粘贴钢板面积按照等刚度原则换算为直径Φ25的HRB335钢筋面积，主拱圈视为偏压构件，依据现行公路桥梁设计规范，采用容许应力法，检算加固后主拱圈控制截面强度。
（1） 主拱圈拱顶截面
a.恒载+汽车-20级
控制内力：N=-12975.60kN，M=4277.65kN·m，L
0=17.18m，
配筋情况：采用A
g=52根Φ25，a
g=0.22923m。
检算结果：[N
j m a x]=13562.7kN，满足强度要求。
b.恒载+挂车-100
控制内力：N=-12975.62kN，M=4649.33 kN·m，L
0=17.18m，
配筋情况：A
g=52根Φ25，a
g=0.22923m。
检算结果：[N
j m a x ]=13470.9kN，满足强度要求。
（2） 主拱圈拱脚截面
a.恒载+汽车-20级
控制内力：N=-14652.15kN，M=2286.29kN·m，L
0=17.18m，
配筋情况：A
g=33根Φ25，a
g=0.06 m。
检算结果：[N
j m a x ]=49706.7kN，满足强度要求。
b.恒载+挂车-100
控制内力：N=-14652.07kN，M=2895.35kN·m，L
0=17.18 m，
配筋情况：A
g=33根Φ25，a
g=0.06m。
检算结果：[N
j m a x]=40261.9kN，满足强度要求。
（3） 拱上小拱圈拱顶截面
a.恒载+汽车-20级
控制内力：N=-223.96kN，M=165.96kN·m，L
0= 2.0m，
配筋情况：A
g=24根Φ16，a
g=4.5cm。
截面检算情况：满足强度要求。
（4） 拱上小拱圈拱脚截面
a.恒载+汽车-20级
控制内力：N=-751.21kN，M=-135.79kN·m，L
0=2.0m，
配筋情况：A
g=24根Φ16，a
g=4.5cm。
截面检算情况：满足强度要求。
（5） 桥梁整体刚度
静活载作用下主拱圈最大竖向位移为向下4.6mm，满足刚度要求（见图7）。
（6） 桥面板检算
计算弯矩：M
j=57.531kN·m；计算剪力：Q
j=66.882kN·m。
经检算，在汽车-20级、挂车-100荷载作用下，桥面板正截面强度、斜截面强度及最大裂缝均满足规范要求。
经上述加固后桥梁理论承载力检算结果可知，加固后桥梁承载力满足汽车-20级、挂车-100的设计荷载要求，方案可行。
4、主要施工要点
4.1 施工安排
桥梁维修加固施工选择在8月~10月份进行，期间当地气温在15~30℃之间，适合裂缝修补以及钢板和碳纤维布粘结施工。加固施工前，中断交通，拆除桥面栏杆、人行道和桥面铺装层，减轻桥梁恒载。
4.2 支架和工作平台
桥梁一跨和二跨在河岸上，施工期间没有水流，采用搭设满堂支架法作为施工平台；三跨和四跨下为主河道，水流湍急，采用桥面悬挂移动吊篮作为施工平台。
4.3 必可法修补裂缝
裂缝修补采用必可法注胶工艺，灌缝胶选用Ha71（双组份高分子聚合物）；用钢丝刷清理表面杂物、浮浆、尘土，裂缝干燥后用Ha61快封胶将注胶嘴按间隔40cm粘在裂缝上，同时密封裂缝表面，再将灌注胶按比例配好，注入恒压灌注器内，从裂缝最低处的注胶嘴开始，相邻上部注胶嘴灌胶溢出后封闭注胶嘴，依次注胶，最后用砂轮打磨裂缝表面。
4.4 碳纤维布粘贴
用角磨机将修补区域基面进行磨平处理，磨平到露出混凝土光面，并用空气压缩机将粉尘吹干净，直至用手触摸不粘灰为止。将底胶按比例配制并搅拌均匀。用短毛滚刷均匀涂抹在磨平部位，静置5~7h，至手触摸不沾手方可进行下一道工序。底胶干燥后，按比例拌和环氧腻子，并调和均匀，用腻子刮平工作面的坑槽，养生5~7h。用砂纸打磨一遍工作面，并用棉丝将粉尘擦拭干净；按比例将底层树脂进行拌和均匀后，用短毛滚均匀涂抹于工作面上；将碳纤维布按顺序依次粘贴于工作面，并用消泡滚反复滚压碳纤维布表面，使碳纤维布与工作面紧密结合，不至有气泡存在；静置30~60min在碳纤维表面再均匀涂一层浸渍树脂。涂抹浸渍树脂时，不得使粘贴的碳纤维布卷起；碳纤维在粘贴后，养护24h，不宜使碳纤维布受潮、受震，也不得受荷载直接冲撞碳纤维布表面；待树脂初期硬化后，在碳纤维布表面涂刷一层碳纤维专用漆，其颜色和原来结构相同。
4.5 粘贴钢板
拱肋粘贴钢板前，先要补焊钢筋和修补混凝土，清理混凝土表面。钢板按设计尺寸下料，钻注胶孔和排气孔；表面除锈再做粗糙处理，用丙酮或酒精棉纱清洗表面。用膨胀螺栓将钢板固定在拱肋底部，钢板接头焊接，用快封胶封闭钢板四周，将注胶嘴粘贴在注胶孔，采用加压注胶法依次从低向高处注胶。注胶后立即顶固钢板，24h后方可拆除顶压支架。
4.6 植筋挂网、浇筑混凝土
在拱圈植筋注意要避开原结构钢筋，用电钻钻孔，孔深10cm，孔径要大于要植钢筋4 mm；用压缩空气清孔，吹干孔内水分；用胶枪填胶至孔深的一半后将钢筋插入胶孔固化。再将钢筋网焊接在已植钢筋。混凝土表面涂界面剂后，支模浇注混凝土。
5、加固效果
该桥通过加固前的荷载试验明确了结构损害程度，加固时修补了损害部位，减少了主拱圈部分恒载，加强了横向连接，改变主拱圈的刚度和受力状态，改变桥面铺装结构和受力形式，提升了桥梁的承载力，经结构计算，加固后的桥梁能够满足汽车-20级、挂车-100的设计荷载标准。本桥于2006年8月开始施工，2006年11月交付使用，至今使用状况良好，经检测观察，加固后桥梁的运营效果体现在：
（1） 车辆行驶桥上，桥梁无异常振动声。
（2） 桥下观察，桥体间无任何渗水现象发生；主拱肋及腹拱、侧墙间干燥无潮湿迹象。
（3） 横系梁与主拱圈或拱波与侧墙间支承无脱空现象，支承更为密实，受力更为均匀合理。
（4） 由于主拱圈粘贴了钢板，桥面采用整体现浇连续结构，并加强了横向系梁的连接，使得结构刚度大大加强，桥面无明显振动和扰度产生，平整度更佳。
（5） 桥面伸缩缝采用桥梁专用伸缩装置及桥面防水处理，桥面行车无跳车现象，舒适度良好。
6、体会与建议
随着现代社会经济高速发展，公路交通量和载重的逐渐增加，旧桥检测和加固改造是目前面临的一项重要工作，特别是对于上世纪修建的一些桥梁，采用合理的加固技术不仅能够消除安全隐患，而且能够改变使用性能。尽管每座旧桥的情况各不相同，各自特点不同，但也存在一定的共性。宏图大桥的加固提载采用了粘贴碳纤维布、粘贴钢板、改变拱脚截面形式、拓宽桥面、混凝土加固桥台副孔拱圈等多种综合技术，效果显著。为桥梁尤其是双曲拱桥的加固和拓宽积累了经验。
桥梁再次使用后，要限制通行车辆的速度和载重，保持正常车距；及时清除遗洒物和积雪等，保证桥面的清洁和排水畅通；经常观察加固部位的变化，并要定期测试主要受力部位的应力变化，确保使用期间的安全。
建筑资质代办咨询热线：13198516101
咨询热线：13198516101 
