浅谈混凝土拱的加固
2015-07-02
0.拱桥的概念
拱桥是一种推力结构。在竖向荷载作用下，拱脚处在产生竖向反力的同时，也产生水平推力，在拱内产生轴向压力，减少跨中的弯矩，使拱截面拉应力削弱，这使得其跨越能力增大。正是这种结构特性，拱桥建设使用材料为圬工材料，充分利用其抗拉强度差而抗压性能好的的特点。从我国国情出发，拱桥便于就地取材、节省水泥等建筑材料、构造简单、承载能力大、造价低且维护少的优点，更利于普及建设。
1肋拱桥的发展情况
从20世纪70年代以来，我国混凝土肋拱桥的建设跨径在逐步增大，拱结构型式及拱肋截面型式呈现多样性发展。比较典型的有：1996年开始修建的主跨跨径达312米的广西邕宁邕江大桥（现名蒲庙大桥），为中承式钢管混凝土箱肋拱桥，其跨径居当时世界桥梁之最；1990年建成的跨径为240米的四川宜宾小南门金沙江大桥，为中承式劲性钢骨架钢筋混凝土肋拱桥；1998年修建的跨径达180米的广西来宾磨东大桥，为上承式钢筋混凝土箱肋拱桥；1995年建设的主跨为160米的四川攀枝花金沙江大桥，为中承式肋拱，两单室箱肋。
2桥梁加固的紧迫性
随着世界各国交通网的日趋完善，新建公路、桥梁减少，而已建公路、桥梁的维修、加固工作正成为国家交通部门的工作重心。正所谓，大规模的交通基础设施建设过后，必然伴随着数量巨大的维修、加固工作。
对于不能满足现代交通运输需求的桥梁，如果拆除重建，耗资巨大，周期长，需要中断交通，且产生的废弃物遗留，不符合我国建设节约的国情。世界各国都把桥梁视为保障经济发展的纽带，竟相投入大量的人力、物力对存在病害的桥梁进行维修、加固、改造，对所有桥梁进行养护工作，使其恢复承载力、提高荷载标准，加大使用年限，以此保证公路交通建设的可持续发展。
3肋拱桥常见病害及成因
肋拱桥典型病害及原因分析：
1）拱肋开裂多发生在拱脚、跨中，以径向裂缝多见。拱脚径向裂缝是由负弯矩引起的，垂直于拱轴线向下延伸。跨中径向裂缝是由正弯矩引起的，沿垂直方向向上延伸。产生的径向裂缝，只要没有达到截面的中性轴，通过加固仍然可以继续运营。
2）拱肋纵向裂缝的发生多由于横向联系薄弱造成。此时的荷载横向分布不均，超过拱圈横向抵抗强度，进而引起纵向开裂。在纵向裂缝出现后，结构的整体性变差，则结构受力、变形不均，进一步导致拱圈承载力下降。
3）在双曲拱桥中，拱肋与拱波结合处发生环向裂缝。拱脚附近的环向裂缝是由于拱肋、波结合面的抗剪能力较差，与拱脚抗剪能力差异明显引起。拱顶附近环向裂缝的产生，是在拱肋受拉产生径向拉应力时，拱波间的抗拉能力不足造成的。
4）盖梁或立柱出现剪切斜裂缝和横向弯曲裂缝，其主要原因是由于变形不均匀的拱肋、拱上立柱间比较弱的横向联系造成铰接位置出现较大剪切应力，引起斜裂缝出现并扩展；再加上超载的出现，盖梁跨中应力过大的部位就容易出现弯曲裂缝。
5）桥面出现横向裂缝，其走向大致沿行车道板方向，且多发生在桥面铰缝处，可能的原因是行车道板与纵梁间的砂垫层破坏或铰缝质量差。
6）纵梁下缘开裂，导致此处破坏是由于行车重载及冲击力大。
肋拱桥发生损坏的原因是多方面的，其中包括了勘察设计、施工质量、自然环境以及运营中的使用情况等因素，或单独作用，或叠加重合作用，这影响到桥梁的使用功能，其安全性更应该值得注意。
4拱桥补强加固方法
作为拱桥的主要承重构件，主拱圈承受桥上的全部荷载，并传递到墩台和基础。因此，拱桥的加固主要是围绕主拱圈进行的。
鉴于目前桥梁加固方法和技术的多样性，综合分析后，从外部因素和内部因素两个角度对拱桥进行加固补强，以此提高主拱圈的承载力。
①从外部因素角度看
1）增大主拱圈的截面面积
在荷载等级不变的情况下增大主拱圈截面，目的是为了较小主拱圈承受的拉应力；进一步说，即使荷载变化，也能使主拱圈材料性能保持在允许范围内，从而达到对主拱圈加固的目的。主要的加固方法有：在拱圈下缘加固、在拱圈上缘加固、在拱圈上下缘同时加固。
2）增加主拱圈的强度
增加主拱圈的强度，一般通过粘贴加固，采用环氧树脂或建筑结构胶等化学粘结剂把补强材料粘贴于混凝土结构表面。一般采用的方法有粘钢加固法和纤维复合材料（FRP）加固法。
3）体外预应力技术
当前，采用体外预应力技术加固的桥梁都为梁桥。在拱桥加固方面的实例也有，多为拱圈产生了横向或纵向开裂、桥台发生水平位移以及拱顶产生下挠，用钢筋混凝土拉杆或钢拉杆顺桥向布置，施加预应力进行加固，这样就减小了水平推力，限制了拱脚位移，从而提高了拱圈承载力。当然，采用钢拉杆预应力加固，其拱桥一般为无通航要求的中小跨径的桥梁。
②从内部因素角度看
1）改变结构体系
将拱结构更改为梁拱结合共同受力，或者是拱上建筑改造成桁架式、刚架式，以此应对由于拱桥自重过大、地基承载力不足和拱圈强度变化等因素引起的拱脚位移或转动，主拱圈变形、拱轴线的变化。在条件允许的情况下，调整拱桥上部结构布置，改变拱桥的结构体系，改善主拱圈的受力，提高其承载力，从而达到桥梁加固的目的。根据实际情况采取不同的方法，主要有：梁拱结合体系加固法和转换桥形加固法。转换桥形加固又分为桁架拱组合拱、刚架拱组合拱。
2）调整主拱圈的内力
改变结构体系可以认为是被动的拱桥加固方法，还可以进行主动的调整拱圈的受力。在地基承载力稳定的情况下，由于拱桥本身的材料已无法改变，则主拱圈的轴线线形是应该突破的地方。根据结构整体受力的实际，对拱轴线和压力线进行反向的荷载作用，诸如增加拱上部分填料、减轻上部结构重量等措施，只要作用与反作用吻合，就可以改善主拱圈的受力。另外，由于地基承载力的原因造成了主拱圈的不利受力，可以采用顶推工艺进行调整拱轴复位。当然，调整拱轴线与压力线加固和顶推加固虽解决了实际问题，但施工难度大确是事实。
3）减轻拱上建筑的重量
减轻拱上建筑的重量本身与上述两种加固方法互相影响、交织在一起，共同构成主拱圈加固的内部因素。地基承载力不变，同时桥梁承受活载的能力受到限制，要改善主拱圈的受力情况，可以考虑减轻拱上建筑的重量。改变拱上填料的厚度、腹拱上拱上建筑以轻型拱上建筑取代等方法能提高桥梁承受活载的能力，不失为有效地措施。
