第7章 拱橋加固

第七章

拱橋加固與改造第一節(jié)拱橋加固基本原理

M表示主拱圈彎矩；N表示軸力；A表示面積；W表示主拱圈截面的幾何抗彎彈性模量；

表示在主拱截面拉（壓）應(yīng)力由上面公式可見，拱式橋梁主拱圈結(jié)構(gòu)受力由三個要素決定，即荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力（軸力，彎矩）、主拱圈截面的面積和抗彎慣性矩或幾何抗彎彈性模量，以及主拱圈材料自身強度。第一節(jié)拱橋加固基本原理1、從外因角度通過結(jié)構(gòu)性能改變，提高主拱圈的承載力1）增大主拱圈截面面積采用增加主筋、噴射混凝土、現(xiàn)澆混凝土、外包混凝土加大主拱圈截面尺寸，都是屬于增加主梁截面的加固方法和技術(shù)。2）增大拱圈強度對主梁采用環(huán)氧砂漿粘貼鋼板、環(huán)氧玻璃鋼、碳纖維布等高強度材料，增加主拱圈的強度。梁橋加固基本原理2、從內(nèi)因角度就是采用改變結(jié)構(gòu)體系、減輕拱上建筑恒載重量提高主拱圈的承載力1）改變結(jié)構(gòu)體系，減小主拱圈的內(nèi)力采用梁拱結(jié)合共同受力的方式，或?qū)⒃瓨蛑亓κ焦吧辖ㄖ淖優(yōu)檩p型的桁架或鋼架，減輕主拱圈的恒重。2）減輕拱上建筑恒載重量，減小主拱圈的內(nèi)力綜上所述，無論采用何種加固技術(shù)，其基本原理都是為了減少主拱圈承受的拉應(yīng)力。第二節(jié)增大主拱截面加固方法與技術(shù)

適應(yīng)情況：當主拱圈承重構(gòu)件的斷面不足，或施工質(zhì)量不佳，或墩臺地基沉降，或橋梁長期超載運營等原因引起開裂、變形時，一般可采用增加主拱圈截面的方法加固。方法：用鋼纖維混凝土、鋼筋混凝土、鋼筋纖維混凝土，或鋼筋鋼絲網(wǎng)纖維混凝土加大主拱圈的厚度，亦可用鋼筋混凝土外包石拱橋、雙曲拱橋的拱肋截面，或在雙曲拱肋波背部加蓋鋼筋混凝土倒槽形板，或用預(yù)制拱肋加固桁架拱等。第二節(jié)增大主拱截面加固方法與技術(shù)

主拱圈下緣增大截面加固法：在主拱圈拱腹，按一定比例間距鉆孔設(shè)置錨桿，然后在錨桿上焊接或綁扎鋼筋網(wǎng)，最后噴射混凝土加固。噴射的厚度按結(jié)構(gòu)受力需要確定。工藝：1、先去除剝落、松散的表層，并用水沖洗干凈。若有裂縫存在，可采用修補裂縫的方法，先對裂縫進行修補。2、鉆錨桿孔、安裝錨桿、布設(shè)鋼筋網(wǎng)。按照提高承載能力的需要，在主拱下緣布設(shè)鋼筋網(wǎng)。通常是按一定間距設(shè)置錨栓，將鋼筋沿著橋的縱橫方向焊接到錨栓上，構(gòu)成鋼筋骨架，鋼第二節(jié)增大主拱截面加固方法與技術(shù)筋網(wǎng)的作用在于承受拉應(yīng)力，提高噴護層強度，傳遞溫度應(yīng)力，減少收縮裂紋，加強噴射混凝土的整體性等。3、噴射混凝土。噴射混凝土厚度根據(jù)設(shè)計需要設(shè)定，每次噴護厚度不易超過5~8cm。若需加厚，應(yīng)反復多噴幾次。第二節(jié)增大主拱截面加固方法與技術(shù)

主拱圈上緣增大截面加固法：絕大多數(shù)無鉸拱橋主拱圈的拱腳是荷載作用下內(nèi)力最大的控制截面，按照結(jié)構(gòu)受力的需要，無鉸拱的主拱圈本應(yīng)設(shè)計為變截面形式，但施工難度較大，為了方便施工，我國大部分拱橋都是以拱腳為控制截面，采用等截面形式。因此一般情況下，荷載作用下，除了拱腳外，其他截面都有不同程度的富余，病害也多發(fā)生在拱腳截面附近處。基于上述原因，對絕大多數(shù)大、中跨徑空腹式拱橋，為了施工方便，減少加固費用，通?？刹捎迷谥鞴叭ι暇壘植吭龃笾鞴叭孛娴募庸谭椒ǎ岣咴瓨虻某休d能力。第二節(jié)增大主拱截面加固方法與技術(shù)

施工要點：1、清除主拱圈拱背上面的浮渣和風化層，鑿毛、沖洗干凈。2、按一定間距鉆孔，灌注環(huán)氧樹脂膠漿，植入錨固鋼筋，布設(shè)鋼筋網(wǎng)。鋼筋直徑根據(jù)結(jié)構(gòu)受力需要確定，最小直徑應(yīng)不小于12mm。3、澆筑混凝土，混凝土強度不得低于C30.一般情況下可采用普通混凝土，當拉應(yīng)力較大時，或大跨徑拱橋應(yīng)采用鋼纖維混凝土澆筑，以提高承受拉應(yīng)力的能力；必要時，還可在鋼筋網(wǎng)上鋪設(shè)剛強度鋼絲網(wǎng)，采用鋼筋、鋼絲網(wǎng)、鋼纖維復合增強混凝土，亦稱三鋼混凝土，提高原橋承載能力。第三節(jié)粘貼加固方法與技術(shù)在荷載作用下，主拱圈產(chǎn)生拉應(yīng)力，如果超過其承受限度時，將導致主拱圈開裂、破損，喪失承載力，甚至坍塌；除了前述可以通過增大截面法減小主拱圈承受拉應(yīng)力，提高原橋承載力外，還可以采用環(huán)氧砂漿在主拱圈的受拉區(qū)粘貼鋼板鋼筋，或用環(huán)氧膠漿粘貼玻璃纖維布、玻璃鋼、碳纖維布等高強度材料，增大主拱圈的強度，提高橋梁的承載力。第三節(jié)粘貼加固方法與技術(shù)

1、粘貼鋼板補強一般在主拱圈產(chǎn)生拉應(yīng)力部位，可按主拱圈受力開裂強度估算補強鋼板的配置數(shù)量，補強范圍宜沿著整個負彎矩或正彎矩區(qū)導致截面出現(xiàn)拉應(yīng)力的范圍，并向外延伸1~2m。粘貼鋼板厚度，一般宜采用4~6mm，為了便于鋼板沿著拱腹線成型，鋼板不易太長，可分段粘貼，每段長度1.2~1.5m，接頭處搭接鋼板或錨縫。粘貼鋼板對石拱橋、鋼筋混凝土拱橋等各類橋型均適用，由于其強度遠遠高于原基材的強度，粘貼面的大小可根據(jù)結(jié)構(gòu)受力狀況全拱圈寬度粘貼，亦可間隔分類粘貼。第三節(jié)粘貼加固方法與技術(shù)

1、粘貼鋼板補強此法是拱橋中較為常用的加固方法，它不僅加固了拱圈，而且將原有開裂的拱連在一起，也利于橋梁排水。原拱圈如有損壞，應(yīng)先用噴注高強度水泥砂漿等方法修理后再砌筑新拱圈，在考慮加固拱圈是，應(yīng)同時考慮墩臺受力是否安全可靠等因素。粘貼鋼筋通常僅用于鋼筋混凝土拱橋主拱圈的加固補強。施工時應(yīng)先鑿開原拱圈的保護層，露出鋼筋，根據(jù)受力需要將補強鋼筋用環(huán)氧砂漿粘貼到原拱圈的主筋上，然后用環(huán)氧砂漿或高強砂漿進行封閉，恢復原保護法。第三節(jié)粘貼加固方法與技術(shù)

1、粘貼鋼板補強用砂漿恢復保護法應(yīng)在補強鋼筋外側(cè)加一層鋼筋網(wǎng)，以防止砂漿開裂，造成鋼筋銹蝕。第三節(jié)粘貼加固方法與技術(shù)

2、環(huán)氧膠漿粘貼玻璃纖維布、玻璃鋼、碳纖維布加固法目前，國內(nèi)外用環(huán)氧膠漿粘貼玻璃纖維布、玻璃鋼、碳纖維布加固技術(shù)都用于橋梁加固補強，多于加固拱橋的實例不多，但是，據(jù)采用了該技術(shù)加固鋼筋混凝土拱橋，特別是加固雙曲拱橋的工程實例來看，也是一種較好的加固方法。對主拱圈下緣拉應(yīng)力較大的部位用環(huán)氧膠漿粘貼玻璃纖維布、玻璃鋼、碳纖維布等輕質(zhì)高強度材料不僅施工方便，而且加固效果也十分顯著。第四節(jié)調(diào)整主拱圈內(nèi)力加固方法與技術(shù)

1、調(diào)整拱軸線與壓力線加固法由于拱受力狀況與拱軸線的變化關(guān)系很大，對主拱圈變形不大的拱式橋梁可直接調(diào)整拱軸線與壓力線；對主拱圈變化過大的拱橋，尤其是雙曲拱橋，實際拱軸線往往與壓力線偏差較大。這種情況下，若單獨對主拱圈截面補強，已不能有效改善主拱圈受力狀況，更需要對拱軸線與壓力線進行調(diào)整，改善主拱圈的受力狀況，才能真正起到加固改造的作用。第四節(jié)調(diào)整主拱圈內(nèi)力加固方法與技術(shù)注意事項：

對于拱頂塌陷的雙曲拱橋，不能隨意采取加厚拱上填料和橋面厚度來進行加固。因為拱圈的受力與拱上恒載的分布和拱軸線的形狀關(guān)系密切，僅僅增加橋面厚度，特別是在拱頂區(qū)段增加厚度，不但達不到加固的目的，反而會使拱圈受力狀況進一步惡化，加劇拱頂下沉。如果遇到這種情況，通常是采取以下途徑進行加固：第四節(jié)調(diào)整主拱圈內(nèi)力加固方法與技術(shù)注意事項：1、繪制拱頂、拱腳、1/4跨徑等控制截面的壓力影響線；2、根據(jù)影響線和拱圈的變形狀況，調(diào)整拱上恒載分布。通常采用不同容重的拱上填料，改變拱上填料的厚度和用輕型欄桿更換石欄桿等措施，改變實際壓力線的位置；3、局部加大拱圈截面，調(diào)整實際拱軸線的位置，使其與壓力線趨于吻合。第四節(jié)調(diào)整主拱圈內(nèi)力加固方法與技術(shù)

2、頂推加固法所謂“頂推工藝”就是將拱橋的一段作為頂推端，設(shè)立頂推橫梁，橫梁與拱肋緊緊相連，鑿除拱腳與支座的聯(lián)接，使支座自由。然后安放千斤頂，利用千斤頂?shù)耐屏ρ刂拜S線向上、向跨中方向頂推橫梁，從而使整個拱圈移動。當頂推位移值相當于原橋已產(chǎn)生的位移值時，停止頂推。然后，對拱腳離開拱座的空隙上澆灌高強快硬水泥砂漿，待砂漿硬化后，再放松千斤頂，頂推完成。第五節(jié)改變結(jié)構(gòu)體系加固方法與技術(shù)通過改變橋梁結(jié)構(gòu)體系達到較少橋梁主拱圈的內(nèi)力，是拱橋加固改造中一種行之有效的方法。當拱橋的上部結(jié)構(gòu)恒載重量過大，或基礎(chǔ)的承載力不足，迫使拱腳產(chǎn)生水平位移或轉(zhuǎn)動，主拱圈產(chǎn)生變形、拱軸線發(fā)生變化時，在條件許可的情況下，可以調(diào)整拱上建筑的布置，改變原拱橋的結(jié)構(gòu)體系，以改善主拱圈的受力狀況，達到加固改造，提高原橋承載力的目的。第五節(jié)改變結(jié)構(gòu)體系加固方法與技術(shù)1、梁拱結(jié)合體系加固法清除拱上建筑及實腹段范圍內(nèi)的填料，降低拱頂斷面高度，澆筑鋼筋混凝土橋面板或預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板，并用混凝土將拱上建筑與橋面板相結(jié)合，從而加強拱上建筑剛度，使原來單一的拱式體系轉(zhuǎn)化為梁拱體系，使整個體系向柔拱—剛梁轉(zhuǎn)化。第五節(jié)改變結(jié)構(gòu)體系加固方法與技術(shù)2、轉(zhuǎn)換橋型加固法1）箱板拱、箱肋拱拱橋轉(zhuǎn)換成拱桁結(jié)合拱拆除原拱橋上建筑，將原橋由箱型拱、箱肋拱或拱橋等腹拱式拱橋轉(zhuǎn)換為拱桁結(jié)合體系，以減輕拱上建筑重量，并使主拱圈主要承受全部活載及活載引起的軸壓力。2）箱板拱、箱肋拱、雙曲拱和石拱橋轉(zhuǎn)換成剛架拱當鋼筋混凝土拱橫墻底座無鋼筋，或石拱橋改造成桁架有一定困難時，可將拱上結(jié)構(gòu)改造為剛架拱，計算結(jié)果表明，剛架拱在空腹范圍內(nèi)主拱圈的彎矩要比上述拱式橋梁小，而且拱腳彎矩也將減少特別多。第六節(jié)外部預(yù)應(yīng)力加固方法與技術(shù)1、外部預(yù)應(yīng)力加固法

目前，用外部預(yù)應(yīng)力加固橋梁上部結(jié)構(gòu)的方法多用于梁橋，對于拱圈縱向開裂或橫向開裂，以及橋臺產(chǎn)生位移、拱頂下?lián)系墓笆綐蛄?，也有用此方法加固的實例。目前采用的主要是鋼板箍套鋼筋拉桿加固法，或鋼筋混凝土拉桿法。通過順橋向設(shè)置的鋼筋混凝土拉桿或鋼拉桿施加預(yù)應(yīng)力進行加固，具體施工工藝與后張法預(yù)應(yīng)力梁橋的施工方法相同。降低拱腳水平推力，采用鋼桿件拉緊法。采用鋼拉桿的加固措施，使橋下凈空大幅度降低，將會影響通航，故僅用于一般不通航河道上的橋梁。第六節(jié)外部預(yù)應(yīng)力加固方法與技術(shù)2、鋼板箍或鋼拉桿與螺栓錨固加固法

石拱橋亦可在拱圈的跨中和1/4跨徑處加設(shè)三道或多道鋼板箍或鋼拉桿，用螺栓在拱底及拱側(cè)鉆孔錨固，并注意將錨固點設(shè)在拱圈厚度的1/3處。其錨固孔用環(huán)氧砂漿或膨脹水泥砂漿填牢固，鋼拉桿以一根垂直放置的槽鋼作為螺帽襯點，并兼作拉桿連接件。拉桿布置在拱腹及拱上側(cè)墻頂面以下50~60cm處，固定在槽鋼后，通過扭力扳手逐步收緊螺帽，向拱圈和側(cè)墻施加預(yù)應(yīng)力，以阻止裂縫發(fā)展，對橋梁進行加固補強。第七節(jié)減輕拱上重量加固方法與技術(shù)1、減輕拱上建筑重量的常用方法

現(xiàn)有的拱式橋梁多數(shù)是采用腹拱式拱上建筑，特別是石拱橋更是采用腹拱式拱上建筑為主體，由于拱上建筑自重大，恒載重量通常占有很大比例，加之中小跨徑的石拱橋及相當數(shù)量的實腹式拱橋，拱上填料厚度大，拱上建筑的自重更大，主拱圈大部分須用于承載恒載自重。如果能采取有效措施，一定程度上減輕拱上建筑自重，可以明顯改善拱圈的受力情況。特別是當橋梁承受活載能力，以及橋梁基礎(chǔ)承載力受到限制，不能滿足加固拱圈和提高活載所增加的承壓力要求時，采取有效減輕橋梁恒載自重的辦法來提高原橋承受活載的能力，是一種經(jīng)濟有效的措施。第七節(jié)減輕拱上重量加固方法與技術(shù)1）改變拱上填料厚度

大部分以前修建的拱式橋梁，特別是雙曲拱橋和石拱橋通常采用的拱上填料厚度均較大，尤其是石拱橋中的實腹式拱橋拱上填料的厚度一般都在1m左右，甚至多大幾米。對于這類拱橋，恒載自重在主拱承受的全部荷載中占很大比例，部分橋梁甚至達到80%以上，承受活載的空間相對就比較下了，隨著車輛荷載重量的增加，極易超過橋梁的承載能力范圍，造成主拱圈開裂，成為危橋。如果采取降低橋面標高，減薄拱上填料厚度，或者換以輕質(zhì)材料的措施，相對來說就調(diào)整出了承受活載的空間，提高了原橋的承載能力。第七節(jié)減輕拱上重量加固方法與技術(shù)2）將腹孔的重力式橫墻挖空，或改造成鋼筋混凝土立柱

無鉸拱的拱上橫墻尺寸一般較大，部分橫墻也沒有設(shè)置橫橋向的小拱，故自重較大，如果將腹孔的重力式橫墻挖空，設(shè)置橫橋向小拱或用鋼筋混凝土立柱取代重力式橫墻，可在一定程度上減輕拱上建筑的自重，提高原橋的承載能力。第七節(jié)減輕拱上重量加固方法與技術(shù)3）用預(yù)制的鋼筋混凝土T梁、微彎板或空心板等輕質(zhì)橋面系代替笨重的腹拱體系

通常腹拱式橋面系腹孔的上方全部采用護拱和填料填平后再澆筑橋面系，并有一定區(qū)域的實腹段，故恒重大，采用輕型的橋面系取代原重型橋面系，取消了填料可以較大幅度減輕恒載重量，使主拱圈由原來承擔恒重自重的承載力部分調(diào)整出空間，用于承受荷載增加的重量，可以較大程度提高原橋承受車輛荷載的能力。第七節(jié)減輕拱上重量加固方法與技術(shù)4）用輕型拱上建筑取代腹拱式