双曲拱桥加固方案比选及加固效果评估

■滕 炜

（南平市公路事业发展中心武夷山分中心，武夷山 354300）

双曲拱桥是我国在特定时间受到设计和施工技术影响下产生的轻型拱桥，具有经济实用、施工简便、结构简单等特点，目前仍有大量双曲拱桥处在服役期[1]。

经过几十年的运营，由于受到周围环境影响及道路交通量的增加，双曲拱桥整体性较差、拱肋和拱波易开裂、承载能力偏低等缺点逐渐显现，越来越多的双曲拱桥产生了不同程度的病害，对桥梁安全使用造成不可避免的影响，各种病害亟需改造加固，为桥梁正常运营提供完全保障[2]。

双曲拱桥区别于常规圬工拱桥之处在于其横向同样为拱形，主要受力构件由拱肋、拱波、横向联系组成。

目前针对双曲拱桥的加固方法主要有结构体系转换法、拱肋增大截面法、粘贴钢板加固法等。本研究以福建省武夷山在役的赤石大桥维修加固工程为背景，根据检测报告中桥梁病害情况并结合现场调研，针对病害特点提出多种加固处置措施，并采用动静载试验和有限元计算分析验证填芯法加固后的效果，为后续类似工程加固方案提供工程经验。

1.1 工程简介

福建省武夷山市位于闽江上游段，由于该地区江河支流众多，早期建造的双曲拱桥仍有大部分处于服役期。赤石大桥桥址处正交横跨黄泊溪，该桥建于1969 年，设计荷载等级为汽车-13 级、拖车-60。上部结构：第1 跨及第4 跨为实腹式钢筋混凝土双曲拱、第2 跨及第3 跨为空腹式钢筋混凝土双曲拱，桥梁跨径布置为14 m+2×30 m+13.0 m，下部结构采用U 型桥台，桥墩采用实体墩，墩台为扩大基础。

桥梁全长116.7 m；
桥面布置为6 m 行车道+2×1.0 m 人行道=8 m。由于该桥运营期较长，后期养护不善，目前该桥梁结构整体状况较差。

赤石大桥立面横断面见图1、2。

图2 赤石大桥跨中横断面布置图

1.2 专项检测情况

桥梁加固前需对桥梁开展全面排查工作，通过检测可以发现桥梁存在的安全风险。

该桥现存病害主要有：桥梁主拱圈存在多处渗水析白、钢筋锈蚀、纵向裂缝、斜向裂缝、腹拱存在局部渗水析白、破损、纵向裂缝、墩台局部开裂。

现场典型病害情况见图3、4。

图3 拱肋底面开裂

图4 腹拱纵向裂缝

由于该区内部分旧桥改造施工临时设置交通管制分流导致该桥在短期内交通量剧增，上述检测报告提到的腹拱裂缝进一步发展，且在其余腹拱拱顶位置发现多处横向裂缝。

同时该桥位于此区域对外的主要通道上，如何快速解决桥梁结构安全隐患，增大结构安全储备，确保车辆运营安全成为了加固方案的重点。

2.1 缺陷成因分析

根据桥梁检测结果并结合现场调研情况，该桥产生病害的原因主要有以下方面：（1）该桥建设年代久远，营运时间有50 多年，桥梁预制构件拼接部位失效，自身受力混凝土老化；
（2）该桥桥面铺装为花岗岩铺装，不能起到加强横向联系和传递荷载的功能；
（3）桥梁截面较小，配筋率低，导致桥梁的承载力和抗开裂能力不足且受力不均匀[3]。

2.2 加固方案比选

根据上述检测情况和成因分析， 拟采用凿除15 cm 厚拱上填料、 原水泥路面和花岗岩铺装后改造为3 cm 超薄沥青砼+22 cm 厚钢筋砼路面+15 cm素砼填料的改造方案，同时拆除既有混凝土栏杆和人行道，新建不锈钢栏杆和人行道，桥面系改造方案见图5。

图5 桥面系改造方案简图

对于桥梁承载能力不足的问题，根据桥梁主体结构病害情况，提出以下3 种加固方案。

2.2.1 方案1：结构体系转换法（填芯法）

结构体系转换法是指在拱波空腔区域配置钢筋后通过从桥面凿孔灌注混凝土填充拱波区域空腔，加强各拱波之间的横向联系的同时，实现轻型拱桥结构转换为板拱的结构受力体系，该种加固方法也称为填芯法。

方案简图见图6。

图6 填芯法加固方案

2.2.2 方案2：拱肋增大截面法

拱肋增大截面法即是在拱肋底部根据计算需要增大截面并布置钢筋，方案简图见图7。

图7 拱肋增大截面法

2.2.3 方案3：粘贴钢板加固法

利用植入高强螺栓将钢板与拱肋截面和拱波连接，达到补强拱肋和拱波的目的，见图8。

图8 粘贴钢板加固法

对3 个方案进行比选，具体内容见表1。本研究提出3 个方案从加固效果、安全性、施工便捷性、经济性及施工周期方面进行对比，得出：填芯法虽在经济性和安全性比较中不如其他2 个方案，但是能够显著地提高结构的整体刚度和横向联系，基本解决双曲拱桥的先天缺陷，加固效果最好。

综上所述，本次加固采用填芯法。

表1 3 种加固方案对比

（1）在双曲拱拱波和拱肋之间布置钢筋后，通过灌注孔灌注C30 砼填充拱波空腔，横向通过新增截面将拱波连为一个整体，从而实现轻型拱结构转换为板拱结构；
（2）对主拱圈拱背（腹拱圈底部）采用C30 钢筋砼加固，对腹拱圈采用喷射C30 钢筋砼加固；
（3）挖除既有桥面系和15 cm 厚的拱上填料，重新铺装钢筋砼路面加强桥梁横向联系，优化车辆荷载的传递。后加铺超薄罩面改善行车舒适性；
（4）拆除既有钢筋砼护栏为不锈钢护栏，增设路缘石和人行道板，改善行人的通行环境。

桥梁加固横断面见图9。

图9 桥梁加固横断面图

目前该桥已完成了加固工作， 历时5 个月，为验证加固效果，采用Midas Civil 有限元软件建模进行理论分析和桥梁动静载试验评估加固效果。

4.1 加固后理论计算

4.1.1 桥梁模型的建立

利用Midas Civil 有限元软件中的“梁格法”，建立全桥模型，计算模型考虑双曲拱桥上部结构的空间作用和拱上建筑的影响，拱脚位置按固结，腹拱圈与桥台前墙和横墙之间铰接， 主拱圈按照自重加载、拱上填料按照梯形荷载加载到主拱圈，桥面系荷载按均布荷载加载在桥面板上。

计算模型见图10。

图10 有限元计算模型

4.1.2 计算荷载及控制截面的选用

如前所述， 旧桥采用的荷载为汽车-13 级、拖车-60，加固后桥梁荷载按现行JTG D60－2015《公路桥涵设计通用规范》[7]选用公路－Ⅱ级荷载进行加载，人行荷载为3.0 kN/m2，考虑温度荷载。按承载能力极限状态、正常使用极限状态进行组合，取最不利组合效应进行设计。

4.1.3 计算工况及结果

考虑双曲拱桥结构特殊性和加固工艺，本次计算考虑新旧结构受力模式的不同，加固过程中新增填芯自重荷载由旧桥结构承担，待填芯混凝土硬化后和旧结构共同承担二期恒载和活载， 故布置计算工况如下：工况1：按现行荷载和规范要求对原结构计算工况；
工况2：填芯结构未参与受力，自重等效为均布荷载作用在原结构上的计算工况；
工况3：填芯结构参与受力，新旧结构组合共同承担荷载的计算工况。

各工况下拱脚、L/4 处、 拱顶截面作控制截面，根据计算显示各构件在承载能力极限状态下计算结果见表2。

表2 各工况下控制截面承载能力

4.2 桥梁动静载试验评估

4.2.1 静力性能评估

桥梁动静载试验选取桥梁第2 跨和第4 跨作为试验桥跨，由于第4 跨为实腹拱桥，在此不重点分析。本桥动静载试验使用的主要仪器设备见表3。

表3 主要仪器设备

通过布置荷载工况，使现场加载的荷载效率符合桥梁试验规范的要求，静力加载试验计算值及荷载效率见表4。

表4 静力加载试验计算值及荷载效率

荷载试验采用2 部39 t 左右重型卡车进行加载，加载车辆的主要技术参数见表5，车辆加载位置见图11、12。

图11 工况1 拱顶最大正弯矩（右偏载）加载车辆平面位置图

表5 加载车主要技术参数

图12 工况2 拱顶最大正弯矩（中载）加载车辆平面位置图

主要控制截面的挠度测点见图13、14， 应变测点见图15、16。

图13 第2 跨截面挠度测点立面布置图

图14 第2 跨截面挠度测点横向布置图

图15 第2 跨截面应变测点立面布置图

图16 第2 跨截面应变测点横向布置图

第2 跨拱顶截面挠度测点实测值和理论值结果见表6，该桥挠度校验系数0.91～0.95 处于JTG/T J21-01-2015《公路桥梁荷载试验规程》规定的0.5～1.0 常值范围内，卸载后的相对残余变形在1.15%～3.70%，满足小于20%的规定[6]。

表6 第2 跨拱顶各测点挠度值

第2 跨拱顶截面应变测点结果见表7， 该桥应变校验系数位于0.58～0.63， 处于JTG/T J21-01-2015《公路桥梁荷载试验规程》规定的0.5～0.9 常值范围内。

卸载后的相对残余变形在0.62%～3.23%，满足《公路桥梁荷载试验规程》中小于20%的规定[6]。

表7 第2 跨拱顶各测点挠度值

4.2.2 动力性能评估

环境振动试验主要测量桥梁的自振频率。

通过桥梁模态测试采集模块测定桥梁在动荷载作用下的振型、频率、阻尼比等动力参数。

采集模块沿桥第2 跨纵向布置在桥跨四分点位置附近， 采集模块竖直向垂直于桥面布置，以测定桥梁竖向振动响应和横桥向振动响应，采集模块横向布置在距桥梁行车道路缘石30 cm 处。

测点位置确定后用橡皮泥将采集模块调平并与桥面耦合。

竖向拾振器测点见图17、18。

图17 加速度传感器纵桥向布置图

图18 加速度传感器横桥向布置图

采用有限元程序Midas Civil （2022 v1.2 64）对本桥进行了动力特性分析，理论计算频率与实测频率比较情况见表8。

对实测结果和理论结果分析可以看出，该桥实测竖向第1 阶、竖向第2 阶、横向第1 阶自振频率分别为8.008、14.746、10.254 Hz，大于有限元分析得到的竖向第1 阶、竖向第2 阶、横向第1 阶自振频率 （7.897、10.998、8.439 Hz），表明桥梁实际成桥刚度大于理论刚度，说明桥梁的整体刚度满足设计要求。

表8 理论计算频率与实测频率比较

无障碍行车试验是利用试验车辆在桥上以一定速度行驶，对桥梁施以动力荷载，测量桥梁特征位置的振幅和冲击系数等，对测得的桥梁动力响应值进行分析，获得桥梁的动力响应特性，试验时采用1 辆总重39 t 左右的加载车分别以车速5、10、20、30 km/h 匀速通过桥跨结构（行驶车道为左侧行车道最外侧行车道）， 由于在行驶过程中对桥面产生冲击作用，从而使桥梁结构产生振动。

通过动力测试系统测定桥跨结构冲击系数。

动应变纵桥向布置在第2 跨拱顶截面， 截面布置1 个动应变测点，测点横桥向布置见图19。

图19 动应变横向布置图

无障碍行车是结构受到随时间变化的外力时所显示的反映，该桥在跑车试验（采用1 辆总重39 t左右的三轴加载车）的不同车速激振下，动应变测点在不同车速激振下的动应变时程曲线，各时程曲线见图20～23。

图20 5 km/h 跑车试验

图21 10 km/h 跑车试验

图22 20 km/h 跑车试验

图23 30 km/h 跑车试验

桥梁实际所受冲击系数小于理论计算值见表9。

表9 不同车速激振下实测桥面动应变与冲击系数

冲击系数的大小综合反应了桥梁结构的受力性能、桥面平整度以及桥梁的动力性能。

该桥实测的冲击系数最大值为1.043，而根据JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》[7]规定计算，桥梁理论冲击系数为1.350，实测值均小于理论值。

通过对加固后的赤石大桥进行现场试验，并结合试验现象、试验数据以及试验结果的分析，可得到如下结论：（1）本次试验测试实测基频大于理论计算值，且实测振型与理论振型基本一致。

（2）无障碍行车试验下，实测冲击系数（1+μ）最大值为1.043，小于根据JTG D60-2015 《公路桥涵设计通用规范》[7]计算的理论计算值1.350。

4.3 综合分析

根据桥跨结构承载能力极限状态理论计算结果显示， 加固后桥梁理论承载能力满足公路-II 级荷载要求且有一定安全储备。

桥梁的动静载试验又进一步说明，在公路-II 级荷载作用下桥梁的挠度、应变、振型和冲击系数均满足规范要求，且新旧混凝土交界面未出现开裂现象。

综上所述，加固后桥梁承载能力和刚度均有提升且主拱圈再未出现裂缝缺陷，加固效果良好。

结合动静载试验和有限元计算分析，验证了采用填芯法改变双曲拱结构受力加固方式对双曲拱承载力的增强效果明显。

虽然本研究通过工程实例验证了填芯法加固双曲拱桥的可行性，但是现阶段针对填芯法的理论计算模型都是将填芯物与既有桥梁混凝土简化为一次性浇筑结构进行活荷载受力分析，新旧混凝土共同受力工作状况尚未进行深入研究。

目前国内外均没有成熟的理论和试验作为支撑依据，需待后续进一步研究。

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