北京市郊區(qū)以2008年奧運(yùn)會(huì)為契機(jī)，北京市組織實(shí)施了郊區(qū)公路改造工程，全面提升路網(wǎng)水平，北京市的公路建設(shè)得到前所未有的發(fā)展。區(qū)內(nèi)的公路拱橋占有很大比例，針對我市橋梁病害的實(shí)際情況，我們組織設(shè)計(jì)術(shù)人員對北京郊區(qū)的危橋進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在郊區(qū)的危橋中雙曲拱橋占35%左右的比例，本文在準(zhǔn)確分析病害產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上提出了改造加固措施并予以實(shí)施。
二、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(jí)偏低，橋的強(qiáng)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(tái)水平位移較大所致�？v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(tái)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(yīng)力超過極限拉應(yīng)力所致，拱背徑向縫多產(chǎn)生在拱角附近負(fù)彎矩大的區(qū)域，橋臺(tái)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(qiáng)交接的部位，常常破碎，這是因?yàn)楦构叭︻A(yù)制分塊太多以及勾縫水泥砂漿標(biāo)號(hào)過低，致使其整體性差，在載荷反復(fù)作用下必然導(dǎo)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(yù)制彎板，板板之間只通過沙漿進(jìn)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(kuò)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(yīng)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(gè)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(qiáng)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(diǎn)：
危舊雙曲拱橋內(nèi)力分析和設(shè)計(jì)狀態(tài)下的內(nèi)力分析是有明顯區(qū)別的。設(shè)計(jì)狀態(tài)下，確定了跨度、矢高及拱軸系數(shù)后，只要帶入相應(yīng)的計(jì)算公式中就可以計(jì)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(shè)計(jì)線形，而變?yōu)橐粭l不規(guī)刻的曲線。這時(shí)如果還代入按設(shè)計(jì)線形推導(dǎo)出的內(nèi)力計(jì)算肯定會(huì)使計(jì)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(gè)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(qiáng)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(jì)算和拱上建筑的計(jì)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(jì)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(diǎn)，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(dāng)?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(shí)際拱軸線的位置，用實(shí)際拱軸線建立模型，大大提高了計(jì)算精度。
（二） 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(yīng)考慮以下幾個(gè)方面:
①雙曲拱橋的主拱圈變形較大時(shí)，建模應(yīng)采用拱軸線的實(shí)側(cè)坐標(biāo)；
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(qiáng)的，所以，建模時(shí)應(yīng)考慮腹拱的作用。實(shí)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(diǎn)會(huì)產(chǎn)生水平位移和轉(zhuǎn)角。橋墩結(jié)點(diǎn)的水平位移和轉(zhuǎn)角會(huì)引起拱圈內(nèi)力的改變，這種作用稱為連拱作用。當(dāng)橋墩和主拱圈剛度比較小時(shí)，連拱作用是非常明顯的。建模時(shí)多孔拱橋應(yīng)該建立統(tǒng)一的模型，模型中也應(yīng)該包括中間橋墩；
④如果主拱圈已局部開裂。則應(yīng)按不同的情況分別考慮。開裂不嚴(yán)重，可按土拱圈剛度折減來計(jì)算;開裂嚴(yán)重，裂縫甚至已沿全截面貫通，則該截面已成為一個(gè)鉸，結(jié)構(gòu)體系就發(fā)生了根本改變，應(yīng)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(yīng)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(yán)重程度、調(diào)查檢測結(jié)果、荷載試驗(yàn)、計(jì)算結(jié)果、橋梁重要性及社會(huì)影響等綜合考慮，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。
1.如果施工質(zhì)量有問題，首先應(yīng)該對拱肋進(jìn)行修補(bǔ)。
2.如果拱肋只是局部強(qiáng)度不足，可局部粘貼鋼板或碳纖維補(bǔ)強(qiáng)。
3. 如果拱肋病害是由于墩臺(tái)變位引起的，則重點(diǎn)應(yīng)加固墩臺(tái)，讓墩臺(tái)復(fù)位穩(wěn)定。例如可采用頂推拱座的辦法復(fù)位基礎(chǔ)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(yīng)加強(qiáng)橫向聯(lián)系，在拱肋、立柱、縱梁間增設(shè)橫系梁，以加強(qiáng)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(huì)造成整條路線的交通中斷，附近還沒有繞行路線，社會(huì)影響較大，在設(shè)計(jì)加固方案時(shí)應(yīng)考慮更為安全可靠、安全儲(chǔ)備較大、經(jīng)久耐用、一勞永逸的加固方案。此時(shí)可改變拱肋的結(jié)構(gòu)形式，例如在中間加肋將肋拱變?yōu)榘骞埃蚋淖児吧蠘?gòu)造將肋拱變?yōu)槲黾芄�，或加拉索拉住拱肋將肋拱變�(yōu)樾崩皹颍蛟黾佣罩鶞p小跨徑等，必要時(shí)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(qiáng)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(jìn)行加固，即沿主拱圈外環(huán)現(xiàn)澆增設(shè)一層鋼筋混凝土套箍層，利用截面增大、斷裂力學(xué)及“套箍效應(yīng)”三個(gè)機(jī)理，達(dá)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(shè)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(qiáng)度及穩(wěn)定均不會(huì)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(yù)制安裝剛度和配筋均加強(qiáng)的板。
2改善脹縫狀況
對橋面板的縱縫，要沖洗干凈，風(fēng)干后壓人環(huán)氧樹脂砂漿。
3改造板間鉸縫
橋面板設(shè)計(jì)是按鉸接板法計(jì)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(shí)盡量采用輕質(zhì)的陶�；炷粒�(yán)格保證陶�；炷恋拿軐�(shí)度使得拱橋結(jié)構(gòu)協(xié)同受力。
（5）改善排水
五、實(shí)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(jì)算跨徑30米，矢跨比1：9.93，1989年曾對該橋的上部進(jìn)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(jìn)行了詳細(xì)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如圖7所示。
經(jīng)分析在施加公路I 級(jí)并且整體降溫30度后,拱肋拉應(yīng)力超限,即使拱肋加寬也達(dá)不到公路I級(jí)標(biāo)準(zhǔn),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:
①主拱圈采用現(xiàn)澆鋼筋砼板拱.
②橫墻為現(xiàn)澆鋼筋砼實(shí)心墻。
③腹拱采用預(yù)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。
④拱上填料為陶粒混凝土。填料層兩側(cè)為50厘米寬的砌石側(cè)墻。
⑤填料層上為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。
⑥拱座為重力式鋼筋砼拱座。
通過Ansys有限元計(jì)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(shè)計(jì)手段應(yīng)該值得推廣.
