既有公路钢筋混凝土双曲拱桥加固研究

余学清

福州市公路事业发展中心，福建 福州 350002

随着交通量和交通车辆荷载在不断增加，大量在役的双曲拱桥都出现了不同程度和类型的病害，严重影响了行车安全［1］。而我国公路交通系统上目前仍有大量在役的双曲拱桥，如果对这些双曲拱桥进行加固改造，提高其承载能力，延长使用寿命，则有效节约经济成本。因此，对在役公路双曲拱桥的加固改造研究，具有重要的现实意义和实用价值。目前双曲拱桥常见的加固方法有：增大截面法、粘贴加固法、增加横向联系法等。但大部分的研究成果是针对实际独立的工程，还没有形成系统的计算分析，各种加固方法的加固机理也没有上升到理论性的研究阶段。以下就针对增大截面加固法进行阐述。

1 既有双曲拱桥结构性能分析

陀市桥全长175m，桥梁上部结构为5 跨钢筋混凝土双曲拱桥结构，原设计汽车荷载标准为汽车-10 级，履带-50。经桥梁检测发现旧桥拱肋出现径向裂缝，实腹段拱肋与侧墙结合处出现平行于拱轴线的环形裂缝等病害，该桥原桥技术状况等级评定为四类，需要进行加固维修。

为全面了解该双曲拱桥在加固维修前的结构性能，为后续加固提供科学依据，通过建立其结构有限元模型，进行数值仿真分析。加固前的陀市桥全桥结构采用平面杆系模型来模拟：将主拱圈视为一个整体，并采用弹性平面梁单元模拟，忽略横系梁的作用；桥面板和重力式桥墩均采用弹性平面梁单元模拟。

从弯矩、轴力、应力以及挠度等方面分析主拱圈关键截面的受力和变形。荷载工况的组合系数按照规范［2］要求，对于公路Ⅱ级，安全系数取1.0，恒载取1.2，车辆荷载取1.4。由于按影响线加载时，车辆荷载分别加载在影响线正值区和负值区，因此，相应的荷载工况的有两种：工况一：1.2 恒载+1.4 汽车max，max 代表在影响线的正值区加载；工况二：1.2 恒载+1.4 汽车min，min 代表在影响线的负值区加载。

通过有限元模型计算结果分别进行验算，得到γNd=15039kN<52744kN，说明原桥主拱圈截面的抗压强度满足要求；γMd=2629kN・m ＞2029kN・m，可见原桥主拱圈的拱顶截面不满足正截面受弯承载力要求。拱脚截面的最大压应力为12.70MPa，已接近C30 混凝土的轴心抗压强度设计值（13.8MPa）；拱顶截面的最大拉应力为3.77MPa，为C30混凝土轴心抗拉强度设计值（1.39MPa）的171%，说明原桥主拱圈结构的强度已经不满足要求。原桥主拱圈的最大挠度为15mm，发生在中跨的拱顶截面处。拱桥正负挠度的绝对值之和应小于跨径的1/1000，而15/30000=1/2000<1/1000，因此，原桥主拱圈刚度满足规范要求。

按公路Ⅱ级汽车荷载标准进行提载，该桥主拱圈刚度可满足要求，但其承载力不满足要求。

2 增大截面法加固既有双曲拱桥设计方案

2.1 增大截面法加固设计方案

根据该桥实际存在的病害情况，提出采用增大截面法对该桥的主拱圈进行加固，同时拆除拱上结构，进行重建。加固改造方案为：对原有拱圈采用增大截面法将原双曲拱改造为箱形拱，并将原拱式腹孔的拱上建筑改造为轻型立柱，以减少拱上建筑物的自重，抵消因拱圈加大截面所增加的自重。拱座以下的墩台、基础部分保持不变。

图1 加固改造后结构横断面图（单位：cm）

2.2 加固方案有限元仿真分析

对加固改造后的陀市桥，采用多层梁格法［2］建立其全桥结构的空间杆系模型。在对加固后的主拱圈截面进行承载力验算时，仍偏保守地将主拱圈结构视为素混凝土结构，并按圬工桥涵规范进行验算。分别采用极限状态设计法和容许应力法，对加固后的主拱圈结构进行承载力验算。

通过有限元模型计算结果分别进行验算，γNd=10557kN<64832kN，说明经增大截面法加固后，主拱圈截面的抗压强度可满足要求。γMd=3035kN・m <23697kN・m，可见经增大截面法加固后，主拱圈的拱顶截面已经满足正截面受弯承载力要求。拱脚截面最大压应力为4.57MPa，远小于C30 混凝土的轴心抗压强度设计值（13.8MPa）；最大拉应力也出现在拱脚截面，其值为0.95MPa，也小于C30 混凝土的轴心抗拉强度设计值（1.39MPa）；这说明经增大截面法加固后，新桥主拱圈结构的强度已经满足要求［3］。

经增大截面法加固后，新桥主拱圈的最大挠度为6mm，发生在中跨的拱顶截面处。拱桥正负挠度的绝对值之和应小于跨径的1/1000，而6/30000=1/5000<1/1000，因此，新桥主拱圈刚度满足规范要求。

2.3 加固方案有效性分析

表1 中列出了加固前、后陀市桥主拱圈控制截面最大内力和最大应力的比较情况，其中，相对值为加固后的内力或应力与加固前的内力或应力之相对比值。可见，本文针对陀市桥所提出的增大截面法加固改造设计方案可有效提高桥梁的承载能力和刚度。

表1 加固前后主拱圈控制截面的最大内力和最大应力比较

3 结语

本文以连江县陀市双曲拱桥为工程背景，侧重探讨了采用增大截面加固法加固既有公路双曲拱桥的设计及施工技术，并总结得到了以下主要结论：

（1）基于平面杆系有限元模型的数值分析结果表明，按公路Ⅱ级汽车荷载标准进行提载，未加固之前陀市桥主拱圈刚度可满足要求，但其承载力不满足要求。

（2）对存在结构病害且需要提载的既有公路双曲拱桥，可采用增大截面加固法将主拱圈由双曲拱加固改造为箱形拱，从而达到消除结构病害和提载的双重目标。

（3）基于空间杆系有限元模型的数值分析结果表明，加固改造后的桥梁满足按公路Ⅱ级汽车荷载标准提载后的承载力和刚度要求，技术上可行。

（4）对加固前后全桥结构受力性能的有限元分析表明，采用增大截面法加固既有公路双曲拱桥，可有效提高桥梁的承载能力和刚度。