双曲拱桥加固方法

摘 要：文章对双曲拱桥的常见加固方法进行了总结,结合福建省连江县陀市桥加固改造工程,采用Midas建立有限元分析模型,对加固后的桥梁承载能力进行验算,表明该桥加固方法可行.

关 键 词 ：双曲拱桥；加固；建模

1.引言

双曲拱桥是六十年代中期我国首创的一种新桥型,以其施工便捷、造价低、造型美观等优点,出现后即得到了迅速的推广应用.但由于设计等级低,钢材用量少,横向联结能力及结构整体性能差等不足,在长期大交通量、重荷载运营情况下,大部分双曲拱桥都发生不同程度的结构病害,许多已成为了危桥.既有双曲拱桥加固是确保交通的重要任务.本文主要介绍双曲拱桥常用的加固方法,结合陀市桥加固改造工程,提出合理的加固方案.

2.双曲拱桥加固方法

2.1 增大截面法

该法是加固双曲拱桥最常用的方法,其采用与主拱圈相同的钢筋混凝土,对拱肋或同时对拱肋及拱板等进行包裹从而增大了原结构的受力截面积及截面配筋率,达到增加构件承载力、截面强度及抗裂性及构件稳定性的目的,这种方法加固的同时也可以对已发生的部分裂缝进行修补.

增大截面可设计为单侧、双侧或三侧加固,以及四周外包形成箱形截面加固,或是在拱背上浇筑等高钢筋混凝土层,可分为仅以增大主拱圈截面为主的加固以及以加配受力钢筋为主的加固,或者是采用两者相结合的加固.

2.2 改变拱上自重及结构体系

该法是改善由于自重过大或地基承载能力不足而使主拱圈发生变形的受力状况,来达到加固的目的.常见有以下几种方法：

（1）调整拱上填料.减小拱顶断面高度,拆除拱上立柱及腹拱圈以外的拱上建筑,采用钢筋混凝土浇筑的整体桥面板,用轻型混凝土填料来增强拱上建筑与桥面板的联系从而增强了拱上建筑的整体刚度.（2）改拱上建筑为梁式体系.拆除拱上立柱以外的拱上建筑,增加拱上立柱高度,在拱上立柱之间架设轻型钢筋混凝土空心或Ⅱ形桥面板,变拱上建筑为梁式结构,使拱上建筑横载自重大大减小.（3）改拱上建筑为桁架体系.清除所有拱上建筑,变为桁架拱来减少拱上建筑自重,使全部恒载及活载引起的抽压力主要由主拱圈承担.但清除拱上建筑的时候保留拱上立柱的脚钢筋以方便桁架节点固定到主拱圈,一般采用下节点较少的三角形桁架腹杆；如果拱上立柱没有脚钢筋,在变桁架时将会有困难,这时可改造为刚架拱,刚架拱在空腹范围主拱圈内的弯矩比无铰双曲拱桥要小的多,拱脚弯矩也减小的特别多.

2.3 粘贴加固法

该法一般有粘贴钢板加固法、粘贴碳纤维加固法等.其原理是将比强度高的钢板或碳纤维通过环氧树脂等建筑结构胶,粘贴在混凝土受弯构件的表面,使其与原结构共同承受荷载,从而提高构件承载能力及减少裂缝的发展.

2.4 加强拱肋间横系梁

当横向拱肋横隔板破损严重或联系较弱时,可采用在原横系梁边上加一根横系梁或扩大拱肋间横系梁的截面来加强横向整体性和拱肋抗扭刚度,此加固方法可与增大拱肋截面法一起采用.

3.陀市桥加固实例

3.1 桥梁概况

陀市桥位于福建省连江县境内县道195线K32+734处,全长175m.为5跨30米的钢筋混凝土双曲拱桥,主拱圈全宽为7.80米,采用1/8的净矢跨比,拱轴系数为m等于4.32,桥面净宽为7+2×0.25米.腹拱圈为圆弧拱,跨径为3.45米,净矢跨比为1/3.公路等级为四级,原设计荷载为汽车-10级,履带-50,人群荷载3kN/m2.

3.2 桥梁现状

该桥在经过多年的营运后,结构出现了各种病害,且由于桥梁设计时对公路的交通发展趋势估计不足.经福建省交通科研所检测,评定该桥当前整体技术状况为三类桥,存在安全隐患.要提高该桥荷载等级,必须进行加固改造.

3.3 加固方案

经过必选,采用改双曲拱截面为封闭箱形拱的方法进行加固.该法其实质是增大截面加固法,利用悬吊移动模板在肋下现浇施工,对拱肋只需在底部钻孔植筋,对拱肋破坏较小,同时这种方法能较大提高主拱圈的整体性.

图1 改为箱拱的拱桥横截面图

3.4 加固方案验算

3.4.1 建立模型.本文采用桥梁专用有限元软件Midas,把拱肋、拱板及横隔板分开来建模,其中拱肋和横隔板用空间梁单元模拟,拱板用梁格法建模,拱肋和拱板之间的联结用刚臂单元刚性联结.建立全桥有限元模型如图2.

图2全桥模型

3.4.2 计算结果分析.根据公路Ⅱ级的荷载进行加载,计算如下.

表1 加固后主拱圈截面强度验算

计算结果分析表明,加固后的主拱圈正截面抗压强度、偏心距满足安全要求.加固后的桥梁能满足公路Ⅱ级的荷载等级标准.

4.结束语

陀市桥已于2011年底完成加固施工,恢复正常通行.通过对陀市桥的加固实践说明,双曲拱桥具有较大的承载潜力,采用合适的加固方法对危旧双曲拱桥进行加固改造,可以提高双曲拱桥的承载能力,相比新建桥梁,不仅节省了投资,而且最大限度降低对当地人民生活影响,具有明显的经济效益和社会效益.