淺談混凝土拱的加固
2015-07-02
0.拱橋的概念
拱橋是一種推力結(jié)構(gòu)。在豎向荷載作用下，拱腳處在產(chǎn)生豎向反力的同時(shí)，也產(chǎn)生水平推力，在拱內(nèi)產(chǎn)生軸向壓力，減少跨中的彎矩，使拱截面拉應(yīng)力削弱，這使得其跨越能力增大。正是這種結(jié)構(gòu)特性，拱橋建設(shè)使用材料為圬工材料，充分利用其抗拉強(qiáng)度差而抗壓性能好的的特點(diǎn)。從我國(guó)國(guó)情出發(fā)，拱橋便于就地取材、節(jié)省水泥等建筑材料、構(gòu)造簡(jiǎn)單、承載能力大、造價(jià)低且維護(hù)少的優(yōu)點(diǎn)，更利于普及建設(shè)。
1肋拱橋的發(fā)展情況
從20世紀(jì)70年代以來，我國(guó)混凝土肋拱橋的建設(shè)跨徑在逐步增大，拱結(jié)構(gòu)型式及拱肋截面型式呈現(xiàn)多樣性發(fā)展。比較典型的有：1996年開始修建的主跨跨徑達(dá)312米的廣西邕寧邕江大橋（現(xiàn)名蒲廟大橋），為中承式鋼管混凝土箱肋拱橋，其跨徑居當(dāng)時(shí)世界橋梁之最；1990年建成的跨徑為240米的四川宜賓小南門金沙江大橋，為中承式勁性鋼骨架鋼筋混凝土肋拱橋；1998年修建的跨徑達(dá)180米的廣西來賓磨東大橋，為上承式鋼筋混凝土箱肋拱橋；1995年建設(shè)的主跨為160米的四川攀枝花金沙江大橋，為中承式肋拱，兩單室箱肋。
2橋梁加固的緊迫性
隨著世界各國(guó)交通網(wǎng)的日趨完善，新建公路、橋梁減少，而已建公路、橋梁的維修、加固工作正成為國(guó)家交通部門的工作重心。正所謂，大規(guī)模的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過后，必然伴隨著數(shù)量巨大的維修、加固工作。
對(duì)于不能滿足現(xiàn)代交通運(yùn)輸需求的橋梁，如果拆除重建，耗資巨大，周期長(zhǎng)，需要中斷交通，且產(chǎn)生的廢棄物遺留，不符合我國(guó)建設(shè)節(jié)約的國(guó)情。世界各國(guó)都把橋梁視為保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展的紐帶，竟相投入大量的人力、物力對(duì)存在病害的橋梁進(jìn)行維修、加固、改造，對(duì)所有橋梁進(jìn)行養(yǎng)護(hù)工作，使其恢復(fù)承載力、提高荷載標(biāo)準(zhǔn)，加大使用年限，以此保證公路交通建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。
3肋拱橋常見病害及成因
肋拱橋典型病害及原因分析：
1）拱肋開裂多發(fā)生在拱腳、跨中，以徑向裂縫多見。拱腳徑向裂縫是由負(fù)彎矩引起的，垂直于拱軸線向下延伸。跨中徑向裂縫是由正彎矩引起的，沿垂直方向向上延伸。產(chǎn)生的徑向裂縫，只要沒有達(dá)到截面的中性軸，通過加固仍然可以繼續(xù)運(yùn)營(yíng)。
2）拱肋縱向裂縫的發(fā)生多由于橫向聯(lián)系薄弱造成。此時(shí)的荷載橫向分布不均，超過拱圈橫向抵抗強(qiáng)度，進(jìn)而引起縱向開裂。在縱向裂縫出現(xiàn)后，結(jié)構(gòu)的整體性變差，則結(jié)構(gòu)受力、變形不均，進(jìn)一步導(dǎo)致拱圈承載力下降。
3）在雙曲拱橋中，拱肋與拱波結(jié)合處發(fā)生環(huán)向裂縫。拱腳附近的環(huán)向裂縫是由于拱肋、波結(jié)合面的抗剪能力較差，與拱腳抗剪能力差異明顯引起。拱頂附近環(huán)向裂縫的產(chǎn)生，是在拱肋受拉產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力時(shí)，拱波間的抗拉能力不足造成的。
4）蓋梁或立柱出現(xiàn)剪切斜裂縫和橫向彎曲裂縫，其主要原因是由于變形不均勻的拱肋、拱上立柱間比較弱的橫向聯(lián)系造成鉸接位置出現(xiàn)較大剪切應(yīng)力，引起斜裂縫出現(xiàn)并擴(kuò)展；再加上超載的出現(xiàn)，蓋梁跨中應(yīng)力過大的部位就容易出現(xiàn)彎曲裂縫。
5）橋面出現(xiàn)橫向裂縫，其走向大致沿行車道板方向，且多發(fā)生在橋面鉸縫處，可能的原因是行車道板與縱梁間的砂墊層破壞或鉸縫質(zhì)量差。
6）縱梁下緣開裂，導(dǎo)致此處破壞是由于行車重載及沖擊力大。
肋拱橋發(fā)生損壞的原因是多方面的，其中包括了勘察設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、自然環(huán)境以及運(yùn)營(yíng)中的使用情況等因素，或單獨(dú)作用，或疊加重合作用，這影響到橋梁的使用功能，其安全性更應(yīng)該值得注意。
4拱橋補(bǔ)強(qiáng)加固方法
作為拱橋的主要承重構(gòu)件，主拱圈承受橋上的全部荷載，并傳遞到墩臺(tái)和基礎(chǔ)。因此，拱橋的加固主要是圍繞主拱圈進(jìn)行的。
鑒于目前橋梁加固方法和技術(shù)的多樣性，綜合分析后，從外部因素和內(nèi)部因素兩個(gè)角度對(duì)拱橋進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，以此提高主拱圈的承載力。
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1）增大主拱圈的截面面積
在荷載等級(jí)不變的情況下增大主拱圈截面，目的是為了較小主拱圈承受的拉應(yīng)力；進(jìn)一步說，即使荷載變化，也能使主拱圈材料性能保持在允許范圍內(nèi)，從而達(dá)到對(duì)主拱圈加固的目的。主要的加固方法有：在拱圈下緣加固、在拱圈上緣加固、在拱圈上下緣同時(shí)加固。
2）增加主拱圈的強(qiáng)度
增加主拱圈的強(qiáng)度，一般通過粘貼加固，采用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠等化學(xué)粘結(jié)劑把補(bǔ)強(qiáng)材料粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面。一般采用的方法有粘鋼加固法和纖維復(fù)合材料（FRP）加固法。
3）體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)
當(dāng)前，采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固的橋梁都為梁橋。在拱橋加固方面的實(shí)例也有，多為拱圈產(chǎn)生了橫向或縱向開裂、橋臺(tái)發(fā)生水平位移以及拱頂產(chǎn)生下?lián)希娩摻罨炷晾瓧U或鋼拉桿順橋向布置，施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固，這樣就減小了水平推力，限制了拱腳位移，從而提高了拱圈承載力。當(dāng)然，采用鋼拉桿預(yù)應(yīng)力加固，其拱橋一般為無通航要求的中小跨徑的橋梁。
②從內(nèi)部因素角度看
1）改變結(jié)構(gòu)體系
將拱結(jié)構(gòu)更改為梁拱結(jié)合共同受力，或者是拱上建筑改造成桁架式、剛架式，以此應(yīng)對(duì)由于拱橋自重過大、地基承載力不足和拱圈強(qiáng)度變化等因素引起的拱腳位移或轉(zhuǎn)動(dòng)，主拱圈變形、拱軸線的變化。在條件允許的情況下，調(diào)整拱橋上部結(jié)構(gòu)布置，改變拱橋的結(jié)構(gòu)體系，改善主拱圈的受力，提高其承載力，從而達(dá)到橋梁加固的目的。根據(jù)實(shí)際情況采取不同的方法，主要有：梁拱結(jié)合體系加固法和轉(zhuǎn)換橋形加固法。轉(zhuǎn)換橋形加固又分為桁架拱組合拱、剛架拱組合拱。
2）調(diào)整主拱圈的內(nèi)力
改變結(jié)構(gòu)體系可以認(rèn)為是被動(dòng)的拱橋加固方法，還可以進(jìn)行主動(dòng)的調(diào)整拱圈的受力。在地基承載力穩(wěn)定的情況下，由于拱橋本身的材料已無法改變，則主拱圈的軸線線形是應(yīng)該突破的地方。根據(jù)結(jié)構(gòu)整體受力的實(shí)際，對(duì)拱軸線和壓力線進(jìn)行反向的荷載作用，諸如增加拱上部分填料、減輕上部結(jié)構(gòu)重量等措施，只要作用與反作用吻合，就可以改善主拱圈的受力。另外，由于地基承載力的原因造成了主拱圈的不利受力，可以采用頂推工藝進(jìn)行調(diào)整拱軸復(fù)位。當(dāng)然，調(diào)整拱軸線與壓力線加固和頂推加固雖解決了實(shí)際問題，但施工難度大確是事實(shí)。
3）減輕拱上建筑的重量
減輕拱上建筑的重量本身與上述兩種加固方法互相影響、交織在一起，共同構(gòu)成主拱圈加固的內(nèi)部因素。地基承載力不變，同時(shí)橋梁承受活載的能力受到限制，要改善主拱圈的受力情況，可以考慮減輕拱上建筑的重量。改變拱上填料的厚度、腹拱上拱上建筑以輕型拱上建筑取代等方法能提高橋梁承受活載的能力，不失為有效地措施。
