（森林工程专业论文）“肋梁楼盖”在双曲拱桥加固改造中的应用研究.pdf

摘要 近年来，随着我国交通事业的发展，已有一定数量的桥梁发生老化、损害现象。 危桥逐年增多，承载能力明显降低为确保交通顺畅，对这些桥梁进行维修与加固已 显当务之急。因此，对旧桥的加固进行研究，在我国具有深远的理论和现实意义。 双曲拱桥是我国2 0 世纪6 0 7 0 年代建设最多的一种拱桥形式，至今大部分都出现 不同程度的病害论文结合南京市六合区新禹桥工程改造实例，针对某些双曲拱桥拱上 建筑破坏严重，但主拱圈基本完好的状况，探索研究了一种将房屋建筑中的肋梁楼盖 结构移植到其加固改造中的方法改造中拆除包括立拄或立墙、腹拱圈、侧墙以及拱 上填料、桥面板等全部拱上建筑，仅保留由拱肋、拱波、拱板及横向联系等四种构件 组成的主拱圈在原主拱圈拱肋相应位置处增设拱伏，横向增设底梁，形成一个下层 弧形的类似肋梁楼盖的结构；在已浇筑好的拱伏与底梁上，继续现浇立柱，主梁和横 向肋梁、桥面板，主梁的两端搁置在桥台处新增加的钢筋混凝土台帽梁上，形成一个 上层肋梁楼盖结构，并且上下两层楼盖在桥梁跨中互为渗透结合成一个牢固的整体， 共同完成了跨越和承载的能力这一类似肋梁楼兰的结构体系，主粱与主拱圈形成了 拱梁组合体系，完全改变了拱上建筑结构受力体系，其承载能力大大超过了原主拱圈 的承载能力在改造方案设计中，运用韩国m i d a s c i v i l 专用有限元软件对结构进行 了空间分析计算计算结果表明，原有老桥经加固改造后可以满足设计荷载的要求；并 对加固改造施工中的植筋、裂缝修补、表面涂装设计采用了当前较先进的新材料和新 工艺，取得了较好的效果。 关键词：双曲拱桥；肋梁楼盖；加固改造 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft r a f f i ci nc h i n a ，an u m b e ro fb r i d g e sh a v eb e e n d a m a g e dt oac e r t a i nd e g r e e t h ed a n g e r o u sb r i d g e sa r ei n c r e a s i n gy e a rb yy e a nt h ec a r r y i n g c a p a c i t yo fm a n yb r i d g e si sf a l l i n g i no r d e rt oi n s u r es m o o t ht r a n s p o r t a t i o n ，i ti sa nu r g e n t a f f a i rt om a i n t a i no rr e i n f o r c et h e s eb r i d g e s t h e r e f o r e ，t os t u d yt h es t r e n g t h e n i n gm e t h o df o r t h ed a n g e r o u sb r i d g e sh a sd e e ps i g n i f i c a t i o no f t h e o r yp r a c t i c ei nc h i n a d o u b l e - a r c hb r i d g e sa r et h em o s ta r c hb r i d g e si nc h i n ai nt h e1 9 6 0 sa n dt h e1 9 7 0 s ，n o w s o m ed i f f e r e n td i s e a s e so c c u ri nm o s to ft h e m i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rs t u d i e dak i n do f s l a b a n d b e a mf l o o rs y s t e mo fb u i l d i n gw h i c ha r ca p p l i e di nb r i d g e sm a i n t a i n i n ga n d r e i n f o r c e m e n tw h i l et h eb u i l d i n ga b o v ea r c hw a sd a m a g e ds e r i o u s l ya n di t sm a i na r c hi sh e a l t h y t a k i n gt h en e w y ub r i d g ei nl u h eo f n a n j i n ga sa ne x a m p l e w h e nm a i n t a i n e d ，s o m eb u i l d i n g s a b o v e m a i na r c hr i n gs u c ha ss t a n d i n gp i l l a ro rw a l l ，a r c hc i r c l e ，s i d ew a l lw o u l db er e m o v e d ， o n l yr e s e r v i n gm a i na r c hr i n gc o m p o s e do fs t o m a c ha r c hr i b ，a r c hw a v e ，a r c hb o a r da n d h o r i z o n t a lc o n t a c t t h ea r c hb e n d i n go nt h et o po f t h eo r i g i n a lm a i na r c hr i n gc o r r e s p o n d s t oe v e r ya r c hr i ba n dt h eb o t t o mb e a mo ni t sl a n d s c a p eo r i e n t a t i o n a sar e s u l ti tb e c o m e sa d o w na r cf r a m es i m i l a rt os l a b - a n d - b e a mf l o o rs y s t e m o nt h ea r c hb e n d i n ga n db o t t o mb e a m j u s te s t a b l i s h e d ，s t a n d i n gp i l l a r , m a i nb e a m ，h o r i z o n t a lr i bb e a ma n db r i d g ef r o n t - p a n e lw o u l d b eb u i l ts u b s e q u e n t l y b o t he n d so ft h em a i nb e a mw o u l dt h e nb ep u to f ft h en e wh a tb e a m m a d eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t e n o w , i tb e c o m e sa nu p p e rs l a b - a n d - b e a mf l o o rs y s t e m t w od e c k s w i l lb ej o i n e dt o g e t h e ro nt h em i d d l eo ft h eb r i d g e ，w h i c hf o r m st h ea b i l i t yo fs p a n n i n ga n d l o a d i n g w i t ht h es t r u c t u r es y s t e ms i m i l a rt os l a b - a n d - b e a mf l o o rs y s t e m ，i t sm a i nb e a ma n d m a i na r c hc i r c l ei su n i t e di n t oa na r c ha n db e a ms y s t e m , c o m p l e t e l yc h a n g i n gt h eb e a r i n g s y s t e mo fb u i l d i n ga b o v ei t t h eb e a r i n gc a p a c i t ye x c e e d st h eo l d e ra r c hc i r c l es i g n i f i c a n t l y i n t h ep r o j e c td e s i g n t h ea u t h o rm a d e 啪o fas p e c i a l i z e ds o f t w a r eo fk o r e a nm i d a s c i v i lt o a n a l y s et h es p e c i a ls t r u c t u r e t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sr e v e a lt h a tt h eb r i d g ec a nm e e tt h ed e m a n d o ft h ed e s i g nl o a da f t e rm a i n t a i n i n g a d v a n c e dn e wm a t e r i a la n dn e wt e c h n i q u ew e r ea d o p t e d i np l a n t i n gr e i n f o r c i n gs t e e lb a r , c r a c kr e p a i r i n ga n ds u r f a c ed e c o r a t i o n sw i t hg o o dr e s u l t s k e yw o r d s ：d o u b l e - a r c hb r i d g e ；s l a b - a n d - b e a mf l o o rs y s t e m ；s 打e n g t h e n i n g m ac h a n g l o n g ( f o r e s te n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db y - a s s o c i a t ep r o f e s s o rl ig u o f e n 致谢 本论文是在导师李国芬副教授悉心指导下完成的。从入学到毕业，硕 士三年是在导师谆谆教导下愉快度过的。这三年对我的成长至关重要，这 三年中每一个进步都得到了导师的帮助和鼓励。恩师在完成学业过程中给 予了无限的宽容，每次聆听导师的教诲，都有许多新的领悟和体会，坚定 了我努力的信心和决心。导师严谨的治学态度、忘我的工作精神和求实创 新的科学思想是我学习和工作的楷模。没有导师的悉心指导，本文是无法 顺利完成的。值此论文完成之际，谨向导师表示衷心感谢! 王永恒高工是我的第二导师，在作者在林同炎李国豪土建工程咨询有 限公司第二道路桥隧设计所实习期间给予了无微不至的关怀，对论文的选 题和撰写给予了悉心指导，为论文提供了许多有价值的资料。谨此致以最 诚挚的谢意。在实习期间还得到公司杨咏梅总经理、王坤工程师以及公司 同仁的热情帮助和大力支持，给论文提供了一些有益的建议。在此表示深 深的谢意! 同时，感谢三年来土木工程学院和研究生院各位老师的谆谆教诲和无 私帮助! 在此，谨向作者的导师及所有给予关心和帮助的老师、同学和朋 友致以诚挚的敬意和深深的谢意! 马昌龙 二o o 五年六月 1 i 问题的提出 近2 0 多年来，我国公路建设事业蓬勃发展，公路的通行能力和服务水平得到明显改 善和提高，尤其是“九五”期间，国家进一步加大了基础设旌建设投资，公路面貌日新月 异。但是，我国幅员辽阔，就整个公路网络而言，在国民经济整体中，公路交通基础设施 的“瓶颈”制约因素，并没有得到根本的缓解。在现有的公路上，数以万计的旧桥，因设 计标准低，年久失修或失养，正在逐步成为危桥，成了不断提升技术等级公路上的卡脖子 路段。 从上世纪7 0 年代起，特别是“六五”期闻全国各地公路部门就开始对原有桥梁进 行了程度不同的调查。截止1 9 9 0 年，广东省通过调查发现，属于荷载标准低、桥面宽度 窄、存在不同程度损伤而无法适应公路交通运输发展的桥梁约占全省桥梁总长的4 0 ； 江苏省全省桥梁总长度约2 l 万延米，其中9 0 为中小桥，钢筋混凝土梁桥占4 8 ，双曲 拱桥占5 0 ，其他桥型占2 。在这些桥梁中，大多数已达不至三级公路的荷载标准( 汽 车一2 0 级、挂车一1 0 0 ) 和桥面净宽标准( 车行道净宽7 m ) 。江苏省还对沪( 上海) 宜( 宜 兴) 干线公路进行了调查，全线长1 6 1 8 1 k m ，桥梁t 5 0 座计3 4 0 0 延米，平均每公里有桥 梁0 9 座，但桥面净宽达9 m 、荷载标准达汽车一2 0 级、挂车一1 0 0 的仅1 8 座、4 0 0 延米。 占桥梁总长的1 2 ，其余桥梁建造年代久远，技术标准低，有的虽已经进行过局部技术 改造，但桥面宽度仍只有6 m ，荷载标准大多为汽车- 1 3 级，还有相当一部分桥梁的荷载标 准仅为汽车一1 0 级，甚至低于汽车一1 0 级。还有，据双曲拱桥最多的江苏省统计，在全部 双曲拱桥桥梁当中，设计荷载在汽- 1 3 级以下的占9 7 2 ，9 8 5 的桥宽在净一7 0 m 以下； 湖北省公路局统计，全省已建成的3 5 7 座双曲拱桥中，8 5 存在病害，其中病害严重已危 及到行车安全的有2 7 座，占7 6 “1 。截至2 0 0 2 年底，全国公路危桥数量为3 4 0 2 座，计 1 4 5 5 7 5 万延米哪。 随着时间的推移，当肘新建的桥梁都会变成旧桥。在桥梁存续期间内，由于车辆，特 别是超重车辆行使，以及外界各种因素作用和影响，导致桥梁结构产生病害、出现缺陷， 严重影响到桥梁正常使用。为了保证交通畅通，就需要对桥梁进行维修、加圃和改造。桥 梁和其他建筑物一样，其“生命周期”亦不外乎经历以下三个阶段：建造、使用和老化。 公路桥梁造价昂贵，在公路运输中发挥着重要作用，因此，人们在桥梁建设过程中，总是 采取各种措施，千方百计确保工程质量。尽管如此，公路桥梁长期在自然环境( 大气腐蚀、 温度、湿度变化) 和使用环境( 荷载作用与频率的增加、材料与结构的疲劳) 的作用下， 总会逐渐产生损坏现象，这是一个不可逆的过程。2 0 世纪5 0 、6 0 甚至7 0 年代建设的桥 梁，已经运营3 0 4 0 年，这些桥梁已不适应当今经济快速发展的需要，病害和缺陷累累， 因此加固、维修便成为一个十分突出的亟待研究解决的课题。 旧桥加固、维修工作是一项技术上可行、经济上合理的举措。但也存在许多实际困难， 如旧桥原始资料难以查找、缺乏资金特别是成熟技术的支持，使得旧桥加固工作难以开展。 究其原因，一是对旧桥加固持有不同认识，一些人认为“加固老的，不如建座新的”，费 力不讨好、体现不出政绩；二是加固旧、危桥比建新桥繁杂、技术难度大，而设计费和施 工造价偏低，由于旧桥加固就如给危重病人动手术，风险很大，且利润不高，而每座桥的 情况又是千差万别，通用性差，使得有能力的勘察、设计、施工单位不愿意介入，于是造 成加固、改造旧桥成为有行无市的局面。 然而，随着我国高速公路建设和发展，逐步建成全国干线、高速公路网络，其中原有 的公路将发挥从干线到支线、到各地分散物流的重要作用。因此，研究延长既有桥梁使用 寿命的方法，力求加以充分利用，使有限的建设资金用于当前急需的工程，这是一项十分 重要的任务，应当提到各级公路管理部门的议事日程。所以，“十五”期间乃至更长一段 时间，大力开展旧危桥加固、改造利用工作，将是全国各级公路交通部门义不容辞、光荣 而艰巨的任务。为了使旧危桥的加固工作顺利展开，应当采取行之有效的技术措施，防止 那些不切合实际的做法，这就需要认真总结过去的旧桥加固的实践经验，认真研究旧桥加 固、维修技术，扎扎实实，对症下药。 为切实贯彻落实“三个代表”重要思想，全面适应建设小康社会和创建安全家园的要 求，充分体现政府对“三农”问题的重视和支持，改善广大农村地区对外交通条件，消除 道路交通安全隐患，保障车辆通行和行人交通安全，实实在在为民办实事，南京市交通局 根据相关规定，统筹兼顾，统一标准，先后制定了南京市公路危桥改造和撤渡建桥工作实 施意见和南京市公路危桥改造工程管理实施细则( 试行) ，提出“力争用三年左右的 时间，完成市域干线公路危桥改造，用五年时间。基本完成农村公路上的危桥改造和必须 撤渡建桥的渡口改桥工作”的总体目标。南京市交通局从2 0 0 3 年起率先在全省大规模专 项推进公路危桥改造及撤渡建桥工作。 南京目前共有公路桥梁1 1 3 7 座( 不含农桥) ，其中国道、省道公路桥梁3 5 3 座，县乡公 路桥梁7 4 4 座，村道桥梁3 6 座。专用公路桥梁4 座。由于绝大部分的农村公路桥梁建造 于二十世纪六七十年代，已陈旧老化，不同程度存在结构上病害，成为影响农村社会经济发 展以及农民致富的瓶颈。在已经完成的危桥调查中，双曲拱桥桥型占了一定的比例。 双曲拱桥自1 9 6 4 年创始以来，由于它具有省料、造价低、施工简便、结构轻巧及造 型美观等优点，很快在我国公路桥梁建设中得到应用与推广，它曾为加快我国公路桥梁建 设起到了很大的作用。据不完全统计，全国已修建双曲拱桥4 0 0 0 余座，总长约3 5 万余延 米，占全国公路桥梁总延米数的四分之一左右。 但是，目前有相当一部分双曲拱桥，尤其是早期修建的双曲拱桥，由于结构上不够完 善，设计上未能达到规定要求，以及施工质量不佳等原因，特别是当时片面地强调大跨径、 省材料等因素，致使很多双曲拱桥存在不同程度的病害。在长期运营过程中又缺少必要的 维修整治，使结构在使用过程中变形开裂，导致承载能力降低，甚至成为危桥。加之，我 国交通运输事业的迅猛发展，交通量大幅度增加和车辆载重提高等客观原因，也使得相当 一部分双曲拱桥的技术状况已满足不了使用要求。因此。对双曲拱桥进行技术改造是当前 我国公路桥梁建设中应该解决的一个课题。 2 i 2 本课题国内外研究现状 当桥梁结构物无法满足承载能力、通过能力( 如荷载标准提高、原结构严重损伤从而 承载能力降低、桥面过窄妨碍车辆畅通) 等要求时，则需对桥梁进行必要的补强加固、拓 宽等技术改造。因此，一座桥梁竣工交付使用后将进行两方面的工作，其一是经常性的养 护维修，其二是针对桥梁实际存在的问题与新的使用要求，进行必要的加固改造。旧桥加 固改造技术，是针对正在使用的旧桥进行检测、评价、维修、加固或改造等技术对策的总 称。根据日本有关统计资料表明，对于结构建筑物( 包括公路桥梁) 承载能力和使用性能 进行检测、评价，在投入使用后一般有两次高峰期，一是投入使用后约2 0 年，称为小周 期；二是约6 0 年左右，称为大周期。小周期对结构进行检测的目的是：确保结构建筑物 处于完好的技术状态；大周期是对结构建筑物进行鉴定，判定其使用状态，以便作出相应 的对策。近十几年来，我们进行旧桥检测、评价和加固技术的研究，主要是针对2 0 世纪 5 0 8 0 年代修建的公路桥梁，其中大部分是钢筋混凝士梁桥和双曲拱桥，目的是对这些 桥梁使用状况作出符合客观实际的判断，从而制定出相应的技术加固或改造措施。 自2 0 世纪7 0 年代以来，我国着手对旧桥加固改造技术进行研究。在“六五”计划期 间，对公路旧桥的检测、评价和加固方法进行了广泛的研究和工程实践，并取得了良好的 社会效益和经济效益。“七五”期间，交通部适时地将“旧桥检测、评价、加固技术的应 用”列为1 9 8 9 1 9 9 0 年科技进步“通达计划”项目，交通部科技情报所具体组织推广。 此举极大地推动了公路旧桥加固、改造技术研究，因此，在公路桥梁和拱桥等旧桥检测、 评定、加固改造技术和施工工艺等都取得了许多宝贵经验，推荐出不少旧桥加固、改造成 功的范例嘲。 目前双曲拱桥的加固方法较多，各种方法都有自己的适用范围及特点，在具体工程中 应针对不同的病害形式应酌情考虑。有的双曲拱桥既要消除它的病害，又要达到提高桥梁 承载能力的要求，桥梁工作者研究了不同的加固方法，如减轻拱上建筑自重、增加主拱圈 厚度和刚度、加大拱肋截面和主拱肋粘贴碳纤维布等方法。 1 换填拱上轻质填料法 北京房山区周张公路娄子水桥建于1 9 7 6 年5 月，桥梁设计荷载标准为汽一1 5 、挂一8 0 ， 桥面宽为净9 + 2 1 4 ，桥长3 8 8 m ，桥梁结构为钢筋混凝土双曲拱桥，原桥面铺装为1 5 c m 厚c 3 0 水泥混凝土，桥面基层及拱上填料均为1 2 石灰土，拱背上石灰土最小厚度为 1 5 c m ( 相当于路面基层) 。在2 0 0 0 年的加固改造设计中，采用一种轻质高强的陶粒混 凝土的材料做为拱上填料，同时加设土工布制作防水层，桥面铺装采取0 1 2 、0 1 8 螺纹钢 筋组成1 0 x1 0 c m 钢筋网，制作1 0 c m 厚钢筋混凝士面层的施工方案。此次旌工共挖除原 拱上填料石灰土2 3 6 m 3 改换做为拱上填料，原拱上填料自重3 9 6 4 8 t ，而新填筑的拱上填 料自重仅为1 8 8 8 t ，单此项就减轻桥体自重2 0 7 6 8 t 。上部拱上填料自重的减轻，亦即拱 圈所受非均匀分布荷载的减小，拱圈任意点的剪力，弯矩及轴向力均减小。而其内力又与 水平推力成线性关系，而水平推力又与分布荷载成线性关系，所以由恒载引起的拱圈内力 也与拱上分布荷载成线性关系，所以由恒载引起的拱圈内力将减小近l 倍。由此可见，这 种处理方式大大地提高了桥梁的承载能力，效果良好嘲。 2 外包混凝土加固拱圈截面法 采用外包混凝土加大拱肋截面进行补强时，外包的混凝土一般可以采用浇筑振捣或喷 射施工两种方法。 ( 1 ) 湖北省云梦桥为单孔4 0 m ，矢跨比为1 1 0 的双曲拱桥，桥面宽度为净7 + 2 1 0 m ，设计荷载为汽车- 1 3 级，拖车- 6 0 ，桥台置于粘土层地基上，桥台基础埋深2 ，7 m ， 于1 9 7 0 年6 月建成。建成后1 个月即发现拱波出现大量裂缝，拱肋在拱顶至两端l ，3 跨 径处也出现裂缝。当时在全桥长范围内浇筑2 条钢筋混凝土行车道予以加强，结果不仅未 改善拱的受力，反而使活载集中，加上增加了拱上恒载，致使拱圈裂缝迸一步扩展。 1 9 8 2 年采用加大拱肋截面的方法进行加固，拱肋截面由原来2 0 x 2 0 c m 加大至4 5 4 5 c m ，增设5 根母2 2 主筋，横系粱也由原来的8 x 2 9 e r a 加大至2 2 x 4 5 c m ，周肘用灌注 水泥砂浆填补拱波和腹拱上的裂缝，桥面浇筑整体化混凝土并设置钢筋网。通过试验表明， 经补强加固后承载能力达到汽车一2 0 级、挂车- 1 0 0 的要求”1 。 ( 2 ) 香屯大桥是江西省首座采用锚喷混凝土加固的双曲拱桥。香屯大桥位于江西省 乐平至德兴的公路上，5 孔4 5 米，老桥于6 9 年8 月竣工通车。使用2 0 年后，发现主拱 圈有裂缝、拱轴线下沉、桥面变形及碎裂、腹拱和立墙渗水等病害。为了适应交通量增长 及承载力的要求，于1 9 9 0 年对桥梁进行- r ；0 n 固。采取了在主拱圈拱肋及拱波部分外包钢 筋网并用锚喷混凝土适当加大拱圈截面的方法改造。通过加固后的荷载试验，确认了出原 来的汽一1 3 、拖一6 0 提高到了汽一2 0 、挂一1 0 0 的承载能力，达到了预期效果例。 3 环氧砂浆粘贴钢板或钢筋加固拱肋法 ( 1 ) 海南省九曲大桥即采用粘贴钢筋进行加固。该桥为单孔5 0 4 0 m 双曲拱桥，桥 面宽度为净一7 + 2 0 2 5 m 。6 肋5 波，下部结构为钻孔灌注桩基础，与1 9 6 9 年建成后不久 即发现拱肋开裂、拱轴变形，裂缝主要集中在两个四分点之间，拱顶附近裂缝较密，每米 平均有裂缝1 6 条，大部分位于拱肋的两侧并贯通肋底，裂缝宽度多数为o 3 0 o 6 0 m m ， 个男达l m m ，此外，在拱脚截面的拱板上及腹拱与肋波结合处、侧墙等部位也出现裂缝： 拱轴发生变形，拱顶下沉3 5 c m ，拱轴其余各点也有下沉，但下沉均匀。弧线平顺，原拱 矢度为1 9 ，拱轴变形后变为1 9 6 。经分析，产生上述病害的主要原因是桥台和桩基承载 力不够，桥台向两岸转动，导致拱轴变形，拱顶出现较大弯矩，拱脚出现较大负弯矩而引 起拱肋等开裂。 该桥1 9 7 6 年进行了技术改造，全桥6 根拱肋中，对其中的l 5 号拱肋采用环氧砂浆 粘贴钢筋补强，6 号拱肋采用环氧粘贴玻璃纤维加固，同时对全桥裂缝用环氧砂浆进行灌 浆处理。粘贴钢筋时，对1 及2 号拱肋各粘贴8 根巾6 钢筋、5 号拱肋粘赠1 4 根由6 钢筋、 3 号及4 号拱肋各粘贴2 2 根巾6 钢筋，这些粘贴的钢筋每间隔l m 设1 根由8 的构造钢筋 将各钢筋点焊成排栅，其宽度比拱肋底宽小2 3 e m ，所粘贴的钢筋排锄每段长4 m ，除肋 底布筋外，在肋的两侧也各粘贴2 根巾6 钢筋，并将构造钢筋的两端向上弯起粘贴在拱肋 两侧面经此补强加固后，通过6 年使用观察，在车辆荷载及交通量均比加固前增加的情 况下，主拱圈受力良好，拱肋裂缝大为减少，加固前每根拱肋平均有裂缝8 0 9 0 条，加 固后减少至1 5 2 5 条，且拱轴线无新的变化，取得了较好的加固效果“1 。 ( 2 ) 江西省南丰县窑上桥为1 9 6 6 年建成的2 孔净跨2 0 米空腹式双曲拱桥。由于超 4 载车辆的通过，桥梁混凝土路面网裂破碎，拱肋已不能承担过重车辆荷载作用。肋身可见 多条o 3 2 m m 宽横向裂缝。为确保行车安全，采用了在拱肋底部用环氧砂浆粘贴钢筋， 原桥面凿除，改为钢筋混凝土桥面，以增强全桥整体性，改进横向分布状况，把原设计荷 载汽一1 3 、拖一6 0 提高到了汽一2 0 、挂一1 0 0 的荷载等级“1 。 4 改变结构体系法 对于拱上建筑损坏严重而主拱圈质量尚好的双曲拱桥，可以采用改变结构体系的方法 进行改造，以恢复或提高结构的承载能力。江苏省溧阳县南渡大桥即采用这种改变结构体 系的方法对原双曲拱桥进行技术改造。原桥为净跨4 0 m 、矢跨比1 8 ，主拱圈由8 个单元 整体浇筑的飞鸟式拱波组成，拱轴线形为悬链线，拱轴系数m = 2 8 1 4 ，桥面宽度为净一8 + 2 x o 2 5 m ，桥台为重力式，设计荷载为汽车- 1 5 级，建于2 9 7 0 年。】9 7 6 至】9 7 9 年期阃漂 阳县经历了两次地震，使该桥遭到严重破坏，主拱圈变形，空腹拱的拱圈及横墙严重开裂， 桥台相对位移4 c m ，跨中主拱圈最大下沉量达1 3 c m ，已属危桥。 该桥于1 9 8 3 年按汽车_ 2 0 级荷载、桥面宽度净一9 + 2 1 o m 的要求进行改造。鉴于原 桥桥台支承的两边肋的间距为7 2 米，考虑上部结构可以悬臂挑出的因素，原桥台宽度尚 能适应桥面拓宽至l l m 的布置，桥台在地震时虽生位移，但位移也已基本稳定，且地基 土质较好，经多年运营后恒载加活载的重量小于改造前全桥的恒载加活载重量，则桥台将 是稳定的，因此，改造方案对桥台不再进行处理。鉴于原桥拱上建筑的腹拱损坏严重。主 拱圈也有多处开裂，最后确定拆除所有拱上结构，利用原主拱圈作为桁架拱的下弦杆，增 设斜拉杆、竖杆及上弦杆组成斜拉杆式桁架拱的受力体系。根据原拱肋的布置，桁架片的 不等距对称的四片，并在桁架片上架设宽度为3 3 1 m 的微弯板，桥中心处的微弯板宽度 采用1 ，l m ，桥两侧悬臂各为1 5 m 【1 1 。 5 其他方法 南阳桥位于浙江省县道公路浦十四线南阳镇，桥梁净跨径为3 0 m ，桥面净宽为7 5 m ， 矢跨比为1 8 。二肋2 0 号钢筋混凝土现浇主拱波单渡厚1 2 c m 拱桥，设计荷载为汽出一1 5 级，挂车一8 0 。该桥在使用过程中，基础、桥台及主拱圈现状良好。损坏的部位为立柱开 裂、位移，腹孔板全部断裂。桥面上坑坑洼洼，严重危及行车安全，必须进行维修。在方 案设计时，采取桥面系损坏部分进行维修加固方法。将原桥面、腹孔、立柱全部拆除，重 新浇筑立柱底部地梁、立柱、盖梁，上设矩形板梁，全桥铺筑钢筋混凝土保护层，有效的 增加了桥梁的强度，加大了桥梁的承载能力旧。 1 3 主要研究内容及研究方法 在南京市交通局从2 0 0 3 年起率先在全省大规模专项推进公路危桥改造及撤渡建桥工 作实施过程中，林同炎李国豪土建工程咨询有限公司第二道路桥隧设计所( 南京) 承接了 南京市部分区县的危桥改造设计任务，并专门成立了以王永恒高级工程师为首的双曲拱桥 加固改造研究攻关课题组。我作为课题组的一名成员，有幸参与了此项加固改造研究工作， 目前对双曲拱桥进行加固维修已有多种方法，每种方法都有其适用范围及特点，本课 题拟针对双曲拱桥的拱上建筑碎裂，主拱圈虽有局部裂缝但基本完好的状况，探索了一种 改变拱上建筑结构体系即将“肋梁楼盖”体系并结合植筋、裂缝修补、涂装等辅助措旌运 用于双曲拱桥进行加固改造的方法。 双曲拱桥的主拱圈由拱肋、拱波、揆板及横向联系等四种构件组成，拱圈上的全部拱 上建筑包括立柱或立墙、腹拱圈、侧墙以及拱上填料、桥面结构全部由主拱圈承担。改造 中上述拱上建筑全拆除，在每根拱肋对应的拱板位置处把混凝土凿毛并植筋，现浇“拱伏” ( “拱伏”这一名词系我课题组首创) ，如图卜1 所示：根据设计在拱板横向的若干位置现 浇底梁。在底梁与拱伏相赁处预埋立柱钢筋，在桥跨的中间部位，今后主梁与拱伏将相互 贯穿的地段，在拱伏内预埋主梁的钢筋，接下来与房屋建筑一样，在底粱上现浇高度各不 相同的立柱，最后搭设支架现浇主梁、横向肋梁和桥面板。同时，在原桥台上增设钢筋混 凝土台帽梁，让主梁两端搁置在台帽粱上。这时，主梁、立柱、底梁及拱伏形成框架结构， 主梁与拱伏相互贯穿，与主拱圈又形成拱梁组合体系；现浇的桥面系，包括钢筋混凝土桥 面板及钢筋混凝土横向肋梁，与主梁相互贯穿，形成一个类似于肋梁楼盖的桥面体系，共 同来承受汽车荷载的冲击与振动。原有主拱圈增加了拱伏、底梁以后也形成了一个类似肋 梁楼盖的体系，只是其肋梁不是水平的，而是弧形的拱。而且，上下两层楼盖( 上层是水 平的，下层是弧形的) 在桥跨的跨中互为渗透结合成一个整体结构。这样的改造，使整座 桥梁的上部结构形成了一个牢固的整体，共同完成了跨越与承载的功能，完全克服了原双 曲拱桥“结构组成划分过细，整体性能差，容易出现裂缝”的弊病，而新体系的承载能力 大大超过了原主拱圈的承载能力。 圈1 1 拱伏示意圈 拱伏 论文结合双曲拱桥加固改造的具体实例，借助桥梁结构计算专用有限元软件 m i d a s c i v i l 对全桥建立空间有限元分析模型对加固后的桥梁承载能力进行计算，验证这 一加固改造方法的可行性，并对老桥拆除、实桥拱轴线的拟合作了一些探讨，最后对其经 济效益和社会效益作出评价。 6 2 双曲拱桥的基本理论及内力分析 拱桥是一种历史悠久，又充满生机的桥梁型式，也是我国公路上常用的一种桥梁型式， 与普通粱式桥型相比，拱桥不仅具有外形美观，跨越能力也比较大。拱桥是一种有推力结 构，在竖向荷载作用下，两端支承不仅承受竖向作用力，而且承受水平推力，根据作用与 反作用原理，支座对拱结构就有竖向反力与水平反力。正是这一水平反力，使拱圈内产生 强大的轴向力，能有效地减小跨中弯矩，从而充分发挥了主拱结构材料的强度，增大了跨 越能力，同时也说明拱桥必须要有较强的桥台，以承受竖向作用力与水平推力。双曲拱桥， 是我国在继承石拱桥传统的基础，并吸取了装配式钢筋混凝土结构的优点，于1 9 6 4 年创 造出的一种具有我国民族风格的新颖的圬工拱桥。 2 1 双曲拱桥的创建及其特点 双曲拱桥，是六十年代中期我国江苏省无锡县( 锡山市) 的建桥职工首创的一种新桥 型。这种桥型可以不要拱架施工，节省木材，加快旌工进度，而所耗用的钢材又不多，在 外观上具有民族特色。因此，在它出现以后，得到了迅速的推广。著名的南京长江大桥的 公路引桥上，只用了6 9 天，就架起2 2 孔长达7 6 0 多米的双曲拱桥。湖南省长沙湘江大桥， 是我国最大的公路双曲拱桥之一，主桥长1 2 5 0 m ，宽2 0 m ，最大跨径7 6 m ，引桥长2 8 2 m ， 全桥总长1 5 3 2 m ，全部采用双曲拱，只用一年时间就建成。据不完全统计，全国已修建 双曲拱桥4 0 0 0 余座，总长约3 5 万余延米，占全国公路桥梁总延米数的四分之一左右。 双曲拱桥的上部结构由主拱圈和拱上建筑组成。主拱圈由拱肋、拱波、拱板和横向联 系构件等组成，其外形在纵横两个方向均呈弧形曲线，故称双曲拱桥。主拱圈在施工中经 历了“化整为零”和“集零为整”两个阶段。化整为零，就是将主拱圈分成拱肋、拱波、 拱板几部分，分别施工，并使先安装的构件起到安装或浇筑下道工序的支架或模板的作 用。施工中，先把分段预制的钢筋混凝土拱肋合拢，与横向联系组成拱形框架，在拱肋上 安装混凝土拱波( 也有在拱肋上砌筑砖石拱波) ，然后在拱波上浇筑混凝土拱板，形成主 拱圈。因此，双曲拱桥的主拱圈为组合构件。拱波在横向做成弧形，既充分利用圬工材料 的抗压性能，节省钢筋：又可加大截面刚度，节省材料。拱板则起主要的组合作用。集零 为整，就是由拱肋、拱波、拱板组成组合构件。 拱肋断面分为倒t 型、l 型、工字型、槽型以及开口箱等，拱波一般为预制圆弧板， 厚6 e m 8 e r a ，跨度由拱肋间距而定。横向联系有系梁式和横隔板式两种。拱板采用混凝 土现浇，使拱肋、拱波结合成整体。拱板有填平式和波形两种，如图2 1 、图2 - 2 所示， 填平武接板 2 - 1 填平式拱板 塑丛 蓬螯蓥翻蚴 三三三三l 三三ii ： u 啕丽菥m 5 2 划然鼬 图2 - - 2 波形拱板 拱上建筑分为空腹式和实腹式两种，双曲拱桥一般多设计成空腹式。因此其恒载比较 小，矢跨比一般比较坦，通常在1 5 1 8 的范围。采用l ，8 更坦的矢跨比时，除应满足拱 上建筑轻型、地基较好、附加内力较小外，旖工时必须严格控制拱轴线。以防拱顶下沉1 。 2 2 双曲拱桥的病害表现 双曲拱桥具有预制装配式结构的优点，可以无支架施工，节省木材，加快施工进度； 同时把主拱圈分为拱肋、拱波、拱板几部分，降低了对施工设备的要求，特别是对吊装设 备的要求。但是这种把主要受力结构分成凡部分的方法，使主拱圈结构复杂，削弱了其整 体性。截面整体性差，不少双曲拱在使用中出现较严重的裂缝，影响了双曲拱桥的继续使 用，因此，确保主拱圈的整体性是一个重要的问题。必须在设计、施工中从各方面采取措 施以加强其整体性。在承受拱上建筑恒载、活载和其他附加荷载时有足够的强度，不致开 裂。在构造上，将对主拱圈的四个组成部分提出一些特殊的要求。 从全国各地对双曲拱桥进行调查的结果来看，双曲拱桥存在的病害主要表现在以下几 个方面： 1 荷载标准低( 一般为汽一1 3 、拖一6 0 ：1 9 7 4 年以后又改为汽- 1 5 、挂- 8 0 级) ：桥宽不 足( 按旧桥梁设计规范，1 9 6 1 年规定，一般为净- 6 o m ，1 9 7 4 年以后又改为净一7 o m ) 。 2 结构主拱圈部分整体性差。早期修建的双曲拱桥，在结构处理上和施工过程中对拱 肋与拱波之间的联结重视不够，加上横向联系比较薄弱，主拱圈抗扭刚度不足，致使拱肋 拱波接触处容易开裂甚至脱开，沿主拱圈出现环形裂缝因而主拱圈组合断面不能整体受 力。 3 主拱圈截面不足。由于设计上过分强调省料，主拱圈截面设计偏小，特别是拱肋截 面尺寸偏小。在计算上通常采用内力叠加法，按组合截面验算，实际上在施工过程中拱肋 要承受拱波、拱扳及其自身的重量，处于应力叠加状态，拱肋截面往往由于应力过大而过 早开裂。由于主拱圈截面不足，又导致主拱圈刚度不足，变形较大，使主拱圈出现坍陷现 象。 4 拱上建筑处理不当。在双曲拱桥设计中虽未计及拱上建筑的联合作用，但它实际上 对构成上部结构的整体作用及行车条件和荷载的均匀传递起着一定的影响。有些实腹式双 曲拱桥的侧墙采用砖砌形式。由于砖砌侧墙过薄，砌筑质量又较粗糙，长期运营后侧墙发 生外凸甚至剥落，使拱上填料松散，影响了主拱圈的横向共同均衡受力，从而导致拱肋等 的开裂。 5 修建在软土地基上的双曲拱桥，可能由于对基础的处理不当，使墩台发生不均匀沉 降和水平位移等，导致主拱圈过大的变形与开裂川。 2 3 结构计算 2 3 1 悬链线无铰拱弹性中心法 无铰拱为三次超静定结构，通常采用力法计算内力，为使典型方程中的副系数为零， 引入刚臂，利用弹性中心法求解。基本结构如图2 - 3 所示： 一7 一一起 图2 3 弹性中心法基本结构示意图 刚臀长度y 。，由6 。：= 6 ：。= o ，得： f 地 v ：查旦 “ f 堕 e i 典型方程简化为三个独立方程： 4 l 五十i p = 0i 岛2 x 2 + 2 ，= 0 玩3 蜀+ 3 p = 0 j 忽略曲杆对变形的影响，系数和自由项可由公式( 2 3 ) 求得： = 辱叫告- - 3 西+ 弘菩出 铲j 警幽+ 等毋+ 弘鲁幽 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 将公式( 2 3 ) 代人公式( 2 2 ) 中，求出三个多余未知力，无铰拱看作是在荷载和多 余未知力共同作用下的两根悬臂梁，任意截面内力可得： m = x i + x l y 十x + mp q = z 2s i n p + 墨c o s p + 绋( 2 4 ) n = x 2c o s o x 3s i n q ，+ n pl 对于悬链线无铰拱，几何表达式为： 拱轴曲线方程：= = 与p 蟛一1 ) 拱轴线微段表达式：d s = 1 ，岳了；瓣 拱轴倾角： 留妒= q s h k 彳 l 叩2 而丽 式中m 为拱轴曲线系数，有： 七= 1 n 协巧+ m ) 叩2 j - - 丽 * d 弹性中心距拱顶的距离为： 胪而f - 等糯 2 3 2 恒栽内力计算 考虑恒载压力线偏离拱轴线的影响和弹性压缩，各截面的内力计算公式为 = 旦c o s 。p 十蝇c 。s 妒一瓮一鲥：) c 。s 伊 l + “、5 “ 肘2 惫。+ 趟z b ，一“) + 埘 q = 千急，a x ：) s i n 妒城s 却 式( 2 1 0 ) 中。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 上边符号适用于左半拱，下边符号适用于右半拱； 1 4 。t c o s 矿为不计弹性压缩对的轴自力： 饥= m ，为拱的恒载推力； m ，为自拱顶至拱脚的恒载对拱脚截面的力矩； a 一、a r z 为偏离值缈引起的弹性中心赘余力，一为赘余弯矩，x ，为赘余水平力； 时为任意截面的偏离弯矩； 其中： 。 c o 尉s 2 出 肛商 曙 。f 志 鲈露j 等 1 0 2 3 3 活载内力计算 公路界习用的弹性理论进行拱桥结构分析时。对活载作用，首先要了解桥梁的荷载横 向分布，再联合内力影响线，作为拱桥内力空间分布的一种近似的分析方法。任意截面的 内力影响线为： 弯矩：m = m h 1 y x 3 x + x l 轴向力：n = q 6 s i n q + h l c o s l p ( 2 - 1 1 ) 径向剪力：q = - + h l s i n ( o q s i n g ，i 式中： m 简支梁弯矩； g 作用于截面以左的竖直外力总和，称梁式剪力；正值表示向上，负值表 示向下； 式中上边符号适用于左半拱，下边符号适用予右半拱。 有了内力影响线之后，即可按最不利荷载位置进行布载，以求得最大内力。活载作用 下的总内力还需要将不考虑弹性压缩的内力与活载弹性压缩引起的内力叠加起来。传统结 构分析中，这种通过横向分布系数的概念，先将空间结构简化为平面杆系结构，再通过对 平面杆系结构影响线加载求内力的方法存在一个从空间到平面的简化过程，结果存在一定 的近似性。 2 3 4 连拱作用对主拱圈内力的影晌 多孔拱桥在荷载作用下，各拱墩结点会产生水平位移和转角，考虑各拱墩结点产生变 位的计算，称为“连拱计算”。已经查明，在拱墩结点的两个变位未知数中，结点水平位 移对拱、墩内力的影响较大，而转角对拱、墩内力的影响较小。 一般而言，桥墩相对拱圈愈细柔，拱墩结点的水平位移愈大，连拱作用愈显著。反之， 桥墩相对拱圈愈刚劲，结点的水平位移愈小，连拱作用愈小。仅当桥墩相对拱圈的刚度接 近无限大时，在荷载作用下，各拱墩结点才不会产生变位，即不存在连拱的影响。在实际 拱桥中，桥墩相对拱圈的刚度，不可能无限大，即使是采用刚度较大的重力式墩，桥墩的 抗推刚度一般不超过拱圈抗推刚度的4 0 倍，在这种情况下，仍有一定的连拱作用。分析 表明：多孔拱桥按固定拱计算时，一般计算桥墩的内力偏大，而拱圈的内力偏小；换言之， 固定拱的计算方法使桥墩的设计偏于保守，而拱圈的设计却偏于不安全。为了更准确地反 映桥梁的实际受力情况。一般多孔拱桥，均应考虑连拱作用的影响。在多孔连拱中，除非 各孔跨径相等、矢跨比相同、上部构造完全一样时，恒载的内力与固定拱内力才无差异。 如果各孔跨径不尽相同、矢跨比不完全相等或上部构造不完全一致时，则应考虑连拱作用。 3 有限元法在拱桥计算中的应用 3 1 有限元法基本思想及其发展历史 有限元法是为了适应使用计算机而发展起来的一种有效的数值分析方法。早在2 0 世 纪4 0 年代初，欧拉等人就提出了有限单元法的基本思想，但一直没有引起人们的足够重 视。直到5 0 年代中期，才开始有人利用这种思想对航空工程中的飞机结构进行矩阵分析。 其分析思路是，将整个结构看作是由有限多个力学小单元相互连接而形成的集合体，每个 单元的力学特性组合在一起便可提供整体结构的力学特性。这种处理问题的思路，在1 9 6 0 年被广泛用于求解弹性力学的平面应力问题，并开始使用“有限单元