下承式體外系桿拱橋的加固方法及應用

馮廣全

（江門市蓬江區地方公路養護中心 廣東 江門 529030）

1 概述

隨著國家經濟的日益增長，車輛交通量也隨之增長、車流密度與載重量日益劇增，既有的公路橋梁承受荷載也隨之增加，現已出現部分的既有橋梁無法滿足現代車載重的承載力與安全使用的要求，因此，采用合理可行的措施對既有橋梁結構進行加固改造以適應現行通行能力是解決橋梁結構問題的最佳方法。隨著橋梁使用年限增長，公路橋梁在重荷載的反復作用下損壞的數量逐年增加，對于各類老化或損壞的公路橋梁維修加固保養已成為管養單位關注與待解決的問題，下面就既有公路橋梁尤其是系桿拱橋的維修加固方法進行論述。

2 系桿拱橋的加固方法

公路橋梁的加固常規是通過對主要受力結構的補強與改善結構性能來提升或恢復既有橋梁的承載力，以達到延長橋梁的使用壽命，適應現代經濟發展帶來的交通壓力的需求。常采用的方法是提升橋梁的結構承載力、抗剪和抗彎、荷載級數等，此類方法也是最簡單、快速、安全、經濟和實用的加固措施。一般而言，橋梁上部結構加固方法從加固原理和適用特點上可分為：改變結構受力體系、增加輔助構件、增大構件截面、外加預應力體系和增補加勁材料；下部結構加固方法為：加強薄弱構件、加固橋墩、橋臺及承臺樁基等。橋梁加固的原則是通過加固維修改造后相比拆除重建的橋梁結構的承載力、安全性能以及耐久性更能滿足現代交通的使用要求，橋梁加固后的下部結構更具有足夠的潛力[1]，且節省建筑材料與投資造價，具有明顯的經濟和社會效益。

系桿拱橋橋梁的維修加固方法一般為[2]：

2.1 主拱圈、拱肋增配筋澆混凝土，增大截面加固法

當橋梁的梁體結構的鋼筋混凝土剛度、強度、抗彎拉和抗開裂等性能不足時，通過增加配筋和澆筑混凝土以增大梁體的截面，從而提高了橋梁主梁的受力截面，增加了梁體的抗彎截面高度，新舊結合的鋼筋混凝土梁體結構共同承受了橋面承受的荷載。此方法也廣泛適用于梁橋及拱橋拱圈、拱肋的加固，以拱腹面或拱背面增大截面的方法加厚拱腳段或新增鋼筋混凝土襯砌。為了使得被加固的橋梁除了可以承受自身的重量，還可以更多地提高車載的承載力，常規都是以加大橋梁面板的截面或增大主梁肋板的寬度為主要加固方法[3]。

2.2 拱橋拱圈加固-鋼板箍與錨栓錨固法

拱橋可以在拱圈的最大受力點跨中或次受力點1/4 以外增設3 道或多道的U 型鋼板箍或者鋼拉桿，同時在拱底以及拱側對鋼板箍或者鋼拉桿采用螺栓進行鉆孔錨固，鋼板箍或者鋼拉桿同時采用錨固凝膠與拱面混凝土進行粘貼凝固。此方法常用在要求不破壞橋梁結構或需正常通車的交通情況的拱橋加固。

2.3 粘貼鋼板加固法或粘貼纖維布加固法

粘貼鋼板加固法是通過高強化學黏結凝劑將鋼板直接粘貼在橋梁結構的受拉區及結構薄弱區的混凝土面上，使得橋梁混凝土結構與鋼板整體受力，改善了既有橋梁的鋼筋混凝土結構的受力狀態，通過兩者的共同作用，阻止了裂縫病害的繼續發展，增加了橋梁結構的剛度、強度、延性，提升了橋梁的承載力。粘貼纖維布（FRP）加固法是應用專業配置樹脂或浸漬樹脂將高強度、高彈性模量的纖維復合材料沿著橋梁結構的受拉方向或垂直于裂縫方向粘貼在橋梁混凝土構件上，使之與原構件形成整體共同受力，增大結構抗拉或抗剪能力，提高強度、剛度、抗裂性和結構延性。這類方法能夠彌補原結構構件的強度不足，提高結構的抗拉、抗剪能力，對結構的抗裂性和延性都可以加強，同時又能抑制裂縫的擴展，并可改善鋼筋與混凝土的應力狀況。對縱、橫梁節點及拱腳節點裂縫，簡便的方法就是粘貼塊狀鋼板或纖維復合材料。

2.4 預應力加固法

針對橋梁受拉應力區結構，采用外加預應力進行加固以抵消橋梁部分的自重和外載力，進而大幅度地提升既有橋梁的承載力，此類維修加固方法適用于要求提高承載力、剛度和抗裂性以及加固后所占空間小的橋梁?？煞譃轭A應力拉桿加固和預應力撐桿加固，其中預應力拉桿加固主要應用于受彎構件，以梁身為錨固體，通過預應力張拉對梁的受拉區域施加外力，以抵消結構本身的自重，減少車輛荷載作用下的應力，能夠減少梁體出現過多的裂縫特別是梁底部橫向裂縫，以及減小裂縫寬度。預應力撐桿加固主要用于橋梁下部結構的軸心受壓墩柱，但在實踐中橋梁墩柱加固很少采用此方法。

2.5 吊桿或系桿加固法

對于拱橋吊桿或系桿滑絲、錨固頭松動的情形，在施工條件允許的時候，采取緊固絲頭或預張打緊錨固頭來調整吊桿或系桿的拉應力，柔性吊桿常規采用螺母型錨頭，可以采取松張加鋼板墊片緊固松動的錨頭，系桿若是夾片型則采用千斤頂補拉錨緊。對于嚴重銹蝕、斷絲或無施工條件的，可以通過預留孔道換桿或在無預留孔道的情況下采取輔助措施進行換桿。對于吊桿達到使用年限的也可全部更換吊桿[4]。

2.6 橋面植筋補強加固法

采取橋面加厚鋼筋混凝土結構層，基本是通過植入的鋼筋與新鋪鋼筋網共同抵抗橋梁受彎所引起的剪切應力，達到增強既有橋梁的主梁受力有效截面，進而提升既有橋梁的承載力，此類加固方法常用于高等級道路橋梁在主梁承載力下降或橋面鋪裝破壞嚴重以及需調整橋面標高的情況。

2.7 水下植筋包樁法

在不壓縮過水斷面、不影響通航的前提下，采用水下樁基包樁法增大樁基截面積來達到加固樁基的目的，即通過水下植筋將新增結構與原結構連接成整體，提高樁身混凝土耐久性，同時也將混凝土護筒下端受損部位樁身予以修復。通過在水下對原樁基增大截面，增大了樁徑，實現了對原橋樁基的修復，同時也有效抑制樁基病害的發生。

3 工程應用實例

某橋建成于1999 年8 月，為一座下承式體外系桿拱橋，主橋上部為3 跨110m 下承式體外系桿拱，拱的推力由兩端錨固在橋墩上系桿承受，自平衡體系，主拱拱肋頂段采用單箱單室結構，兩拱腳處由單肋分叉為雙肢拱肋，拱肋嵌入橋墩，形成無肋拱；主橋下部為空心矩形墩，鉆孔灌注樁基礎。設計荷載為汽-20、掛-100。該橋加固前建成通車服役近16 年。隨著當地經濟的快速增長和交通量、車輛載重日益劇增，既有橋梁的主要受力結構發生不同程度的損傷，通過技術等級評定為四類橋梁，因此需對此橋進行維修加固改造來恢復和提升大橋結構承載力，以保證橋梁的安全性及耐久性，使橋梁發揮正常的使用功能。

3.1 主橋狀況

從檢查結果看，大橋主橋技術狀況等級評定為四類，大橋拱肋及其他部件狀況較差，主要病害有：

（1）拱腳表層的混凝土出現大面積脫落與破損，拱肋靠近拱腳部位的上緣與拱側都出現了不同深度的裂縫、露筋及鋼筋銹蝕，或者是混凝土邊角破爛掉落造成拱肋主筋外露銹蝕。

（2）拱腳與墩帽固結處出現較大開裂。

（3）吊桿普遍存在大面積的露筋銹蝕、脹裂等；其上錨固端拱肋橫梁均出現豎向、斜向裂縫。

（4）吊桿橫梁存在多處混凝土破損、露筋銹蝕和麻面，部分橫梁側面出現豎向裂縫和斜向裂縫。

（5）T 梁翼板存在破損、露筋銹蝕，部分梁底露筋銹蝕較嚴重，多處橫隔板破損、露筋銹蝕，T 梁腹板縱向開裂，接縫脫落、開裂。

（6）部分樁基護筒底處混凝土均有局部縮頸，如圖1。

圖1 樁基縮頸、露筋示意圖（單位：cm）

（7）橋面鋪裝病害嚴重，伸縮縫大部分阻塞及部分脫空。

根據檢查，左右側橋面線形基本一致，拱肋線形平順、未見明顯下撓，如圖2、圖3?；炷翉姸?、鋼筋保護層厚度、鋼筋銹蝕、混凝土電阻率、混凝土氯離子含量檢測結果都處在較正常的范圍內。

圖2 主橋線形實測值（上圖）、設計值（下圖）圖

圖3 設計（上圖）、主橋實測（下圖）拱軸線圖

根據動、靜載試驗，主橋剛度、強度滿足要求，結構處于基本線彈性工作狀態。經驗算上部結構的正常使用極限承載力、正常使用應力及撓度均在規范允許值范圍內，滿足設計要求。

3.2 加固方案選取

橋梁維修加固與新橋設計有很大的不同，具有一定的特殊性和復雜性，只有對舊橋橋梁進行檢測，找出橋梁的病害以及產生的原因，判斷舊橋所屬類別，然后通過設計建模受力計算分析，提出合理與經濟的維修加固設計方案。

經過對原設計的理論分析計算，原設計拱腳截面與拱頂截面承載力逼近規范限值，勉強滿足規范要求；T 梁及橫梁受力滿足規范要求，但安全儲備很??；吊桿、系桿滿足安全系數2.5 的要求。若考慮沖擊系數或損傷折減、活載超載、提高荷載等級（公路-I 級）時，主拱拱腳截面、L/8 處截面及部分L/4 截面的承載能力極限狀態均不能滿足規范要求。因此，原設計拱腳截面、拱圈部分截面、橫梁、T 梁在超載或橋面不平順沖擊頻繁時容易發生破壞，應加強養護維修加固。

橋梁加固方式多種多樣，應充分分析、論證橋梁病害類型、嚴重程度及病害成因，利用橋梁計算程序進行結構分析計算，經多方案分析比較，給出切實可行的加固方案。因此，本橋加固不局限于一種，而是多種加固方法的組合[5]：

（1）對于明確影響橋梁結構安全或是由原結構剛度、強度與承載力不足所產生的病害，通過設計單位設計的方法進行維修加固，以達到全面恢復或提高結構承載力，確保結構安全。如腹板斜裂縫、吊桿橫梁豎向裂縫等。

（a）拱肋粘貼鋼板加固且防腐涂裝：對拱肋截面承載能力相對緊張的部位（拱肋3/8L-拱頂下緣、1/4L 附近上緣）進行粘貼鋼板加固，提高結構承載力和拱肋整體性。

（b）拱腳增大截面加固：對拱腳進行澆筑鋼筋混凝土增大截面加固（因拱腳位置空間受限且未中斷交通，不利于混凝土澆筑，變為粘貼灌注鋼板加固），增強聯系，提高整體性。

（c）吊桿上錨頭拱肋間橫梁采用壓漿封閉和粘貼鋼板加固。

（d）更換吊桿：鑒于吊桿基本達到使用年限且病害較多，更換全部吊桿，重點解決吊桿耐疲勞、可檢可修可換問題。

（e）主墩、承臺采用鋼板外包加固墩帽、裂縫封閉及混凝土表面修復。

（f）主墩水下基礎加固：主墩樁基采用水下植筋包樁增大樁基面積加固。

（g）鑿除橋面鋪裝，重做橋面連續，更換所有伸縮縫。

（2）對于不危及到既有橋梁的安全，但會影響到橋梁的使用功能與耐久性，且主要原因是施工時的缺陷和橋梁使用過程中受到的破壞、風蝕等因素引起的病害，主要采取缺陷修復、結構復原方法進行維修，例如混凝土破損、露筋銹脹、橋墩表面網裂等。

（a）系桿外防護修復：系桿滿足原荷載作用下應力符合2.5 倍安全系數儲備要求，且墩帽空間有限未預留增加系桿空間，不考慮增設系桿以提高結構安全儲備的方案，采用外包鋼絲網水泥層進行系桿局部外防護修復。

（b）橫梁采用環氧砂漿修補、裂縫封閉及混凝土表面修復。

（c）T 梁混凝土表面修補、裂縫封閉。

3.3 加固效果分析

采用上述方法加固后，經結構驗算，主拱肋極限承載力、橫梁承載力及T 梁承載力滿足原設計荷載汽-20、掛-100 的要求，吊桿滿足安全系數2.5 的要求，橫梁裂縫滿足原設計荷載要求，墩身與樁基均滿足規范要求。

項目按照施工圖要求進行加固，整體工程質量評定為合格，達到了加固目的。2017 年加固完工運營后，實體工程質量無出現缺陷變化，滿足有關設計和規范要求，運行良好。

本工程在橋梁加固領域中具有先進的代表性，國內外常用的、較為先進的加固防護手段和技術均有采用。如主橋橋墩深水中濕法增大樁基截面、主橋吊桿更換等工程的成功實施，均體現了本工程的管理水平、設計水平和施工水平。本加固工程點多面廣，內容基本涵蓋了橋梁所有部位，技術先進，其成功實施有效地改善了橋梁運營狀況。

4 結語

本文主要講述了目前既有舊橋梁特別是拱橋的幾種加固方法，同時通過系桿拱橋的工程實例，著重探討了舊橋的加固方法，印證了通過加固橋梁的受力結構可以大幅度提升舊橋梁的抗彎、抗剪以及剛度，增強了舊橋梁的承載力，加固改造比重建新橋節約大量的投資和材料，具有明顯的技術、經濟和社會效益，經過加固的橋梁，目前運行狀況良好。