第7章 拱桥加固

第七章

拱桥加固与改造第一节拱桥加固基本原理

M表示主拱圈弯矩；N表示轴力；A表示面积；W表示主拱圈截面的几何抗弯弹性模量；

表示在主拱截面拉（压）应力由上面公式可见，拱式桥梁主拱圈结构受力由三个要素决定，即荷载作用产生的内力（轴力，弯矩）、主拱圈截面的面积和抗弯惯性矩或几何抗弯弹性模量，以及主拱圈材料自身强度。第一节拱桥加固基本原理1、从外因角度通过结构性能改变，提高主拱圈的承载力1）增大主拱圈截面面积采用增加主筋、喷射混凝土、现浇混凝土、外包混凝土加大主拱圈截面尺寸，都是属于增加主梁截面的加固方法和技术。2）增大拱圈强度对主梁采用环氧砂浆粘贴钢板、环氧玻璃钢、碳纤维布等高强度材料，增加主拱圈的强度。梁桥加固基本原理2、从内因角度就是采用改变结构体系、减轻拱上建筑恒载重量提高主拱圈的承载力1）改变结构体系，减小主拱圈的内力采用梁拱结合共同受力的方式，或将原桥重力式拱上建筑改变为轻型的桁架或钢架，减轻主拱圈的恒重。2）减轻拱上建筑恒载重量，减小主拱圈的内力综上所述，无论采用何种加固技术，其基本原理都是为了减少主拱圈承受的拉应力。第二节增大主拱截面加固方法与技术

适应情况：当主拱圈承重构件的断面不足，或施工质量不佳，或墩台地基沉降，或桥梁长期超载运营等原因引起开裂、变形时，一般可采用增加主拱圈截面的方法加固。方法：用钢纤维混凝土、钢筋混凝土、钢筋纤维混凝土，或钢筋钢丝网纤维混凝土加大主拱圈的厚度，亦可用钢筋混凝土外包石拱桥、双曲拱桥的拱肋截面，或在双曲拱肋波背部加盖钢筋混凝土倒槽形板，或用预制拱肋加固桁架拱等。第二节增大主拱截面加固方法与技术

主拱圈下缘增大截面加固法：在主拱圈拱腹，按一定比例间距钻孔设置锚杆，然后在锚杆上焊接或绑扎钢筋网，最后喷射混凝土加固。喷射的厚度按结构受力需要确定。工艺：1、先去除剥落、松散的表层，并用水冲洗干净。若有裂缝存在，可采用修补裂缝的方法，先对裂缝进行修补。2、钻锚杆孔、安装锚杆、布设钢筋网。按照提高承载能力的需要，在主拱下缘布设钢筋网。通常是按一定间距设置锚栓，将钢筋沿着桥的纵横方向焊接到锚栓上，构成钢筋骨架，钢第二节增大主拱截面加固方法与技术筋网的作用在于承受拉应力，提高喷护层强度，传递温度应力，减少收缩裂纹，加强喷射混凝土的整体性等。3、喷射混凝土。喷射混凝土厚度根据设计需要设定，每次喷护厚度不易超过5~8cm。若需加厚，应反复多喷几次。第二节增大主拱截面加固方法与技术

主拱圈上缘增大截面加固法：绝大多数无铰拱桥主拱圈的拱脚是荷载作用下内力最大的控制截面，按照结构受力的需要，无铰拱的主拱圈本应设计为变截面形式，但施工难度较大，为了方便施工，我国大部分拱桥都是以拱脚为控制截面，采用等截面形式。因此一般情况下，荷载作用下，除了拱脚外，其他截面都有不同程度的富余，病害也多发生在拱脚截面附近处。基于上述原因，对绝大多数大、中跨径空腹式拱桥，为了施工方便，减少加固费用，通常可采用在主拱圈上缘局部增大主拱圈截面的加固方法，提高原桥的承载能力。第二节增大主拱截面加固方法与技术

施工要点：1、清除主拱圈拱背上面的浮渣和风化层，凿毛、冲洗干净。2、按一定间距钻孔，灌注环氧树脂胶浆，植入锚固钢筋，布设钢筋网。钢筋直径根据结构受力需要确定，最小直径应不小于12mm。3、浇筑混凝土，混凝土强度不得低于C30.一般情况下可采用普通混凝土，当拉应力较大时，或大跨径拱桥应采用钢纤维混凝土浇筑，以提高承受拉应力的能力；必要时，还可在钢筋网上铺设刚强度钢丝网，采用钢筋、钢丝网、钢纤维复合增强混凝土，亦称三钢混凝土，提高原桥承载能力。第三节粘贴加固方法与技术在荷载作用下，主拱圈产生拉应力，如果超过其承受限度时，将导致主拱圈开裂、破损，丧失承载力，甚至坍塌；除了前述可以通过增大截面法减小主拱圈承受拉应力，提高原桥承载力外，还可以采用环氧砂浆在主拱圈的受拉区粘贴钢板钢筋，或用环氧胶浆粘贴玻璃纤维布、玻璃钢、碳纤维布等高强度材料，增大主拱圈的强度，提高桥梁的承载力。第三节粘贴加固方法与技术

1、粘贴钢板补强一般在主拱圈产生拉应力部位，可按主拱圈受力开裂强度估算补强钢板的配置数量，补强范围宜沿着整个负弯矩或正弯矩区导致截面出现拉应力的范围，并向外延伸1~2m。粘贴钢板厚度，一般宜采用4~6mm，为了便于钢板沿着拱腹线成型，钢板不易太长，可分段粘贴，每段长度1.2~1.5m，接头处搭接钢板或锚缝。粘贴钢板对石拱桥、钢筋混凝土拱桥等各类桥型均适用，由于其强度远远高于原基材的强度，粘贴面的大小可根据结构受力状况全拱圈宽度粘贴，亦可间隔分类粘贴。第三节粘贴加固方法与技术

1、粘贴钢板补强此法是拱桥中较为常用的加固方法，它不仅加固了拱圈，而且将原有开裂的拱连在一起，也利于桥梁排水。原拱圈如有损坏，应先用喷注高强度水泥砂浆等方法修理后再砌筑新拱圈，在考虑加固拱圈是，应同时考虑墩台受力是否安全可靠等因素。粘贴钢筋通常仅用于钢筋混凝土拱桥主拱圈的加固补强。施工时应先凿开原拱圈的保护层，露出钢筋，根据受力需要将补强钢筋用环氧砂浆粘贴到原拱圈的主筋上，然后用环氧砂浆或高强砂浆进行封闭，恢复原保护法。第三节粘贴加固方法与技术

1、粘贴钢板补强用砂浆恢复保护法应在补强钢筋外侧加一层钢筋网，以防止砂浆开裂，造成钢筋锈蚀。第三节粘贴加固方法与技术

2、环氧胶浆粘贴玻璃纤维布、玻璃钢、碳纤维布加固法目前，国内外用环氧胶浆粘贴玻璃纤维布、玻璃钢、碳纤维布加固技术都用于桥梁加固补强，多于加固拱桥的实例不多，但是，据采用了该技术加固钢筋混凝土拱桥，特别是加固双曲拱桥的工程实例来看，也是一种较好的加固方法。对主拱圈下缘拉应力较大的部位用环氧胶浆粘贴玻璃纤维布、玻璃钢、碳纤维布等轻质高强度材料不仅施工方便，而且加固效果也十分显著。第四节调整主拱圈内力加固方法与技术

1、调整拱轴线与压力线加固法由于拱受力状况与拱轴线的变化关系很大，对主拱圈变形不大的拱式桥梁可直接调整拱轴线与压力线；对主拱圈变化过大的拱桥，尤其是双曲拱桥，实际拱轴线往往与压力线偏差较大。这种情况下，若单独对主拱圈截面补强，已不能有效改善主拱圈受力状况，更需要对拱轴线与压力线进行调整，改善主拱圈的受力状况，才能真正起到加固改造的作用。第四节调整主拱圈内力加固方法与技术注意事项：

对于拱顶塌陷的双曲拱桥，不能随意采取加厚拱上填料和桥面厚度来进行加固。因为拱圈的受力与拱上恒载的分布和拱轴线的形状关系密切，仅仅增加桥面厚度，特别是在拱顶区段增加厚度，不但达不到加固的目的，反而会使拱圈受力状况进一步恶化，加剧拱顶下沉。如果遇到这种情况，通常是采取以下途径进行加固：第四节调整主拱圈内力加固方法与技术注意事项：1、绘制拱顶、拱脚、1/4跨径等控制截面的压力影响线；2、根据影响线和拱圈的变形状况，调整拱上恒载分布。通常采用不同容重的拱上填料，改变拱上填料的厚度和用轻型栏杆更换石栏杆等措施，改变实际压力线的位置；3、局部加大拱圈截面，调整实际拱轴线的位置，使其与压力线趋于吻合。第四节调整主拱圈内力加固方法与技术

2、顶推加固法所谓“顶推工艺”就是将拱桥的一段作为顶推端，设立顶推横梁，横梁与拱肋紧紧相连，凿除拱脚与支座的联接，使支座自由。然后安放千斤顶，利用千斤顶的推力沿着拱轴线向上、向跨中方向顶推横梁，从而使整个拱圈移动。当顶推位移值相当于原桥已产生的位移值时，停止顶推。然后，对拱脚离开拱座的空隙上浇灌高强快硬水泥砂浆，待砂浆硬化后，再放松千斤顶，顶推完成。第五节改变结构体系加固方法与技术通过改变桥梁结构体系达到较少桥梁主拱圈的内力，是拱桥加固改造中一种行之有效的方法。当拱桥的上部结构恒载重量过大，或基础的承载力不足，迫使拱脚产生水平位移或转动，主拱圈产生变形、拱轴线发生变化时，在条件许可的情况下，可以调整拱上建筑的布置，改变原拱桥的结构体系，以改善主拱圈的受力状况，达到加固改造，提高原桥承载力的目的。第五节改变结构体系加固方法与技术1、梁拱结合体系加固法清除拱上建筑及实腹段范围内的填料，降低拱顶断面高度，浇筑钢筋混凝土桥面板或预应力混凝土桥面板，并用混凝土将拱上建筑与桥面板相结合，从而加强拱上建筑刚度，使原来单一的拱式体系转化为梁拱体系，使整个体系向柔拱—刚梁转化。第五节改变结构体系加固方法与技术2、转换桥型加固法1）箱板拱、箱肋拱拱桥转换成拱桁结合拱拆除原拱桥上建筑，将原桥由箱型拱、箱肋拱或拱桥等腹拱式拱桥转换为拱桁结合体系，以减轻拱上建筑重量，并使主拱圈主要承受全部活载及活载引起的轴压力。2）箱板拱、箱肋拱、双曲拱和石拱桥转换成刚架拱当钢筋混凝土拱横墙底座无钢筋，或石拱桥改造成桁架有一定困难时，可将拱上结构改造为刚架拱，计算结果表明，刚架拱在空腹范围内主拱圈的弯矩要比上述拱式桥梁小，而且拱脚弯矩也将减少特别多。第六节外部预应力加固方法与技术1、外部预应力加固法

目前，用外部预应力加固桥梁上部结构的方法多用于梁桥，对于拱圈纵向开裂或横向开裂，以及桥台产生位移、拱顶下挠的拱式桥梁，也有用此方法加固的实例。目前采用的主要是钢板箍套钢筋拉杆加固法，或钢筋混凝土拉杆法。通过顺桥向设置的钢筋混凝土拉杆或钢拉杆施加预应力进行加固，具体施工工艺与后张法预应力梁桥的施工方法相同。降低拱脚水平推力，采用钢杆件拉紧法。采用钢拉杆的加固措施，使桥下净空大幅度降低，将会影响通航，故仅用于一般不通航河道上的桥梁。第六节外部预应力加固方法与技术2、钢板箍或钢拉杆与螺栓锚固加固法

石拱桥亦可在拱圈的跨中和1/4跨径处加设三道或多道钢板箍或钢拉杆，用螺栓在拱底及拱侧钻孔锚固，并注意将锚固点设在拱圈厚度的1/3处。其锚固孔用环氧砂浆或膨胀水泥砂浆填牢固，钢拉杆以一根垂直放置的槽钢作为螺帽衬点，并兼作拉杆连接件。拉杆布置在拱腹及拱上侧墙顶面以下50~60cm处，固定在槽钢后，通过扭力扳手逐步收紧螺帽，向拱圈和侧墙施加预应力，以阻止裂缝发展，对桥梁进行加固补强。第七节减轻拱上重量加固方法与技术1、减轻拱上建筑重量的常用方法

现有的拱式桥梁多数是采用腹拱式拱上建筑，特别是石拱桥更是采用腹拱式拱上建筑为主体，由于拱上建筑自重大，恒载重量通常占有很大比例，加之中小跨径的石拱桥及相当数量的实腹式拱桥，拱上填料厚度大，拱上建筑的自重更大，主拱圈大部分须用于承载恒载自重。如果能采取有效措施，一定程度上减轻拱上建筑自重，可以明显改善拱圈的受力情况。特别是当桥梁承受活载能力，以及桥梁基础承载力受到限制，不能满足加固拱圈和提高活载所增加的承压力要求时，采取有效减轻桥梁恒载自重的办法来提高原桥承受活载的能力，是一种经济有效的措施。第七节减轻拱上重量加固方法与技术1）改变拱上填料厚度

大部分以前修建的拱式桥梁，特别是双曲拱桥和石拱桥通常采用的拱上填料厚度均较大，尤其是石拱桥中的实腹式拱桥拱上填料的厚度一般都在1m左右，甚至多大几米。对于这类拱桥，恒载自重在主拱承受的全部荷载中占很大比例，部分桥梁甚至达到80%以上，承受活载的空间相对就比较下了，随着车辆荷载重量的增加，极易超过桥梁的承载能力范围，造成主拱圈开裂，成为危桥。如果采取降低桥面标高，减薄拱上填料厚度，或者换以轻质材料的措施，相对来说就调整出了承受活载的空间，提高了原桥的承载能力。第七节减轻拱上重量加固方法与技术2）将腹孔的重力式横墙挖空，或改造成钢筋混凝土立柱

无铰拱的拱上横墙尺寸一般较大，部分横墙也没有设置横桥向的小拱，故自重较大，如果将腹孔的重力式横墙挖空，设置横桥向小拱或用钢筋混凝土立柱取代重力式横墙，可在一定程度上减轻拱上建筑的自重，提高原桥的承载能力。第七节减轻拱上重量加固方法与技术3）用预制的钢筋混凝土T梁、微弯板或空心板等轻质桥面系代替笨重的腹拱体系

通常腹拱式桥面系腹孔的上方全部采用护拱和填料填平后再浇筑桥面系，并有一定区域的实腹段，故恒重大，采用轻型的桥面系取代原重型桥面系，取消了填料可以较大幅度减轻恒载重量，使主拱圈由原来承担恒重自重的承载力部分调整出空间，用于承受荷载增加的重量，可以较大程度提高原桥承受车辆荷载的能力。第七节减轻拱上重量加固方法与技术4）用轻型拱上建筑取代腹拱式