文/肖輝 湖北文理學(xué)院理工學(xué)院建筑工程系 湖北襄陽 441000

圬工拱橋加固方法
——套拱加固

文/肖輝 湖北文理學(xué)院理工學(xué)院建筑工程系 湖北襄陽 441000

圬工拱橋作為早期建設(shè)的主要橋梁，在經(jīng)歷長期的使用后出現(xiàn)不同程度的損壞，為保證橋梁的繼續(xù)使用，需要對其進(jìn)行加固維修，采用套箍方式加固拱圈的加固方法是較常用的加固方法，本文結(jié)合實例對該加固方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，使用的軟件是大型的有限元分析軟件Marc。

橋梁加固；套拱；圬工拱橋；結(jié)構(gòu)分析

1、套拱加固方法計算理論

在原主拱圈外面外包一層鋼筋混凝土套箍，與原拱圈共同形成新的拱圈，這種加固方式稱為鋼筋混凝土套拱加固，此法增大了主拱圈承載力，通過原主拱圈與外包層的協(xié)調(diào)變形、共同承擔(dān)荷載，提高了橋梁承載力。套箍加固法主要運(yùn)用了三個基本原理，原理一：斷裂力學(xué)機(jī)理；原理二：增大受力面理論；原理三：套箍效應(yīng)。

原理一：斷裂力學(xué)機(jī)理

①加固后，使得裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子減小很多，僅為原來的一半，這是因為鋼筋混凝土外包層使得原主拱圈表面裂縫變?yōu)閮?nèi)部裂縫。減弱了裂縫的開裂效果，從而有效地抑制了裂縫的擴(kuò)展。

②由于套箍層的約束作用，鋼筋套箍產(chǎn)生強(qiáng)大的握裹力有效的阻礙了構(gòu)件的橫向變形，減弱了裂紋的開展。

原理二：增大受力面理論

由于設(shè)置了鋼筋混凝土套箍，使得拱圈的截面面積增大，且混凝土強(qiáng)度高于圬工材料強(qiáng)度，再加上配有足夠的縱向及橫向鋼筋，與原主拱圈共同工作，從而有效地增大了拱圈對于彎矩等外力的承載能力。

原理三：套箍效應(yīng)

原主拱圈處于單向受壓狀態(tài)，無側(cè)壓約束，設(shè)置套箍層后，使原拱圈受到三向壓力，約束各向裂縫的發(fā)展，提高了原主拱圈抗壓承載能力。

2、鋼筋混凝土套箍加固圬工拱橋的受力機(jī)理

鋼筋混凝土套箍加固圬工拱橋由鋼筋、混凝土和圬工材料三種材料構(gòu)成。圬工材料抗壓能力強(qiáng)，但抗拉能力弱，需要通過其他材料來補(bǔ)足抗拉強(qiáng)度。砌體材料通過植筋的方式與套箍有效地粘接在一起，共同受力，從而提高原構(gòu)件的承載力。但此時應(yīng)考慮原結(jié)構(gòu)由于損壞而產(chǎn)生的截面損失。

由于結(jié)構(gòu)在加固前后，加固后的組合結(jié)構(gòu)與原拱圈所承受的荷載各有不同：原拱橋自重由原拱圈單獨(dú)承擔(dān)（對于橋面及拱上建筑破損嚴(yán)重的，可予以清除，在荷載計算時則不予考慮）；加固后的所有結(jié)構(gòu)的重力（包括重做的新橋面系）、可變活載則由原拱圈與混凝土套拱組合結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)。對于原主拱圈的受力情況，分別計算加固前主拱圈的受力及加固后主拱圈部分所受力進(jìn)行疊加即可。具體模型操作是：先計算原結(jié)構(gòu)的永久荷載（被替換掉的結(jié)構(gòu)重力不計），不加后期荷載；再對組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，加入計算可能出現(xiàn)的各種工況（包括溫度變化、橋面及基礎(chǔ)沉降等可變作用）；然后將這兩種情況下的主拱圈的受力進(jìn)行疊加。

3、套拱加固的截面形式

對于約束混凝土的套箍效應(yīng)在大偏心荷載作用時減弱較多。再加上拱上建筑的影響，可對部分區(qū)段可以采用的“U”型截面來加固拱圈。

4、實例分析

通過對重慶的風(fēng)景橋及長梗橋采用大型通用有限元分析軟件Marc進(jìn)行了套拱加固的結(jié)構(gòu)方面的分析。由原主拱圈各主要控制點(diǎn)的主應(yīng)力的數(shù)據(jù)分析得出各點(diǎn)的彎矩的變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)加固后：拱腳處于下彎的趨勢； 1/8跨的壓力線趨于拱軸線位置；1/4跨處于上彎的趨勢；跨中處于上彎的趨勢。這說明拱腳處截面壓力作用線趨近于拱軸線，跨中處截面壓力作用線偏離拱軸線。壓力作用線越趨近于拱軸線則截面彎矩越小，越偏離則截面彎矩越大。

根據(jù)實腹式懸鏈線拱軸計算圖式可知，由于套箍加固，在拱圈的下緣加固拱圈，這樣組合結(jié)構(gòu)使原拱軸線下移，可知原來在 /4點(diǎn)處的彎矩零點(diǎn)向拱腳靠近，拱腳附近拱軸線偏心減小，而拱頂區(qū)域偏心較大。對于拱橋一般在拱腳處比其他地方受力要大，可考慮通過減小拱腳處的應(yīng)力，增大跨中截面的應(yīng)力來均衡拱圈的應(yīng)力。由上面的實例分析可知彎矩零點(diǎn)向拱腳靠近，使得拱腳處的壓力偏心變小，降低了拱腳的彎矩，使拱腳更安全些。相應(yīng)的由于拱軸線下移，導(dǎo)致兩端 /4跨點(diǎn)之間（即中部截面）的截面正彎矩變大，但中部截面的拱圈的承載力均有一定的富余，又由于在拱圈下方設(shè)置了鋼筋混凝土套拱，鋼筋對于正彎矩有很好的抵抗能力，并且使得原拱圈大部分截面受壓。由此可知，套拱加固可以使原拱圈的受力更合理，充分利用原拱圈的材料，提高拱圈的承載力。

5、套拱加固的缺點(diǎn)

套拱加固拱圈主要有四個缺點(diǎn)：一、損壞原拱圈。要保證套拱與原拱圈協(xié)同受力，則必須這兩個構(gòu)件連接牢固，連接方式可采用植筋的形式，這就需要在原拱圈上鉆孔，對原拱圈有結(jié)構(gòu)上的損失，特別是對于一些風(fēng)化嚴(yán)重的拱圈將可能導(dǎo)致拱圈的損壞。二、壓縮河道，影響排水及通航。套拱的設(shè)置占用了橋下凈空，對一些通航及排水要求嚴(yán)格橋梁將不適用。三、支架架設(shè)不便。套拱制作時需要支架來支撐，對于跨越深谷，深水以及交通繁忙的橋梁架設(shè)支架則相當(dāng)?shù)穆闊Ｋ?、增大基礎(chǔ)負(fù)重。套拱的重量也是要基礎(chǔ)來承擔(dān)的，這對于原基礎(chǔ)來說是額外的負(fù)重，需驗算基礎(chǔ)的承載力，如承載力不足，則同樣需加固基礎(chǔ)，增大工程量，且有可能壓縮河道，影響排水及通航。

6、小結(jié)

套拱方法加固拱圈明顯地提高了拱圈的承載力和耐久性，并且不影響橋梁的美觀。但是此法對不同的橋有不同的適用性。

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肖輝，1983年出生，男，漢族，湖北省襄陽市人，工學(xué)碩士。主要研究方向為橋梁損傷評定及加固改造