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【摘 要】针对目前双曲拱桥的现状，该文在总结分析双曲拱桥各种病害类型及其产生原因的基础上，着重研究适用于双曲拱桥的各种加固方法，为双曲拱桥的维修与加固提供参考。
【关键词】双曲拱桥；病害分析；加固方法
Common disease analysis and hyperbolic arch reinforcement Methods
Wang Yi-jie,Han Xiao-jun
(1.Lanzhou Jiaotong University Lanzhou Gansu 730000；
2.China Railway Tunnel Group Co., Ltd Chongqing 400000)
【Abstract】For the current status of the hyperbolic arch, the arch text in the summary analysis of hyperbolic type and its causes various diseases, based on the focus of the hyperbolic arch bridge for a variety of reinforcement methods for hyperbolic arch repair and reinforcement to provide for reference.
【Key words】Hyperbolic arch bridge;Disease analysis;Reinforcement method
双曲拱桥曾广泛的应用于我国60～70年代，这种桥梁具有结构新颖、节省材料、便于施工、造价低等优点。但是受到当时设计水平和荷载标准偏低等影响双曲拱桥存在着先天不足。特别是近些年，随着交通流量的增加，在长期重荷载、大交通量的运营情况下，大部分双曲拱桥都出现了不同程度的病害。鉴于这种桥梁具有相当的数量，全部拆除重建既不经济，也不符合我国国情，因此，对病害情况进行分析，进而进行加固和技术改造具有重要意义。本论文基于这种思想，从理论上对双曲拱桥的病害类型及原因进行分析，并总结了常见的加固方法。
1. 双曲拱桥的病害类型
按照病害发生位置的不同，可以将这些病害分为: 主拱圈病害、腹拱病害、桥面系病害、及墩台基础的病害。裂缝是双曲拱桥的主要病害形式（见图1）。
图1
1.1 主拱圈病害。主拱圈裂缝出现最多的是在跨中下缘和拱脚上缘的径向缝及拱波纵向缝。一般说来主拱圈上的裂缝大体可分为3种类型。
1.1.1 水平缝（环向缝）：拱肋与拱波交界处顺跨径方向上的裂缝。水平缝又可分为法向拉力水平缝和剪力水平缝两种。
法向拉力水平缝出现在拱顶附近正弯矩较大的区段。当结合面的实际拉应力大于结合面的极限拉应力时，即会出现法向拉力水平缝。剪力水平缝出现在拱脚附近剪力较大的区段。水平缝产生的原因，没设专门的结合设施或者措施，拱波过于单薄，拱肋与拱波之间也存在施工缝，桥台发生水平位移，使肋和波之间的结合面剪力、拉力增大，导致裂缝产生；拱波坐浆不良；拱波脚的斜面脚较大；砂浆质量差，含水量较大，延肋波结合面形成裂缝。
1.1.2 径向缝：多发生在跨中和拱脚。主要有拱肋径向缝和拱背径向缝。
（1）拱肋径向缝产生在拱顶附近正弯矩较大的区段。产生的原因，拱圈截面太薄，正弯矩作用导致拱肋下缘开裂；桥（墩）台发生水平位移，拱顶部位正弯矩大大增加，拱肋的拉应力超过极限拉应力所致。
（2）拱背径向缝多产生在拱座与拱脚之间交接处。产生原因，拱圈截面太薄，负弯矩大；桥台水平位移，负弯矩增加。这种裂缝一般并不有害，但会引起主拱圈内力的重分布，减少拱脚弯矩；而且拱脚截面无钢筋通过，不存在钢筋锈蚀的问题。但应防止过大的桥台位移，因为它将使拱脚截面拱肋混凝土压应力超过极限值而压坏。
（3）波顶纵缝：在拱波顶部沿拱轴线方向的裂缝，较多地出现在拱顶附近，有时也出现在拱脚附近。采用平式拱板时，拱波横向为变截面连续板，波顶为最薄弱截面，容易因收缩而在波顶拉裂。当采用波型或折线型拱板时，可防止这种裂缝的出现。横向联系差或者根本没有横向联系是产生波顶纵缝的一个重要原因。桥台位移及超载使用也会产生这种裂缝。
1.2 腹拱病害。在对危旧双曲拱桥的调查中，发现几乎所有空腹式双曲拱桥的腹拱都有不同程度的损坏，主要有腹拱圈裂缝、立柱或横墙的规律性裂缝以及盖梁和底梁的裂缝等(见图2)。
图2
（1）腹拱圈裂缝病害主要有腹拱横向裂缝和环向裂缝［1］，且横向裂缝较为严重，对结构的影响也较大。 腹拱裂缝产生的原因是:由于荷载、温度变化、主拱变形及混凝土收缩等作用，使腹拱内产生了较大的内力而引起开裂。腹拱圈环向裂缝的另一个原因是腹拱圈预制分块太多，致使其整体性差，在载荷反复作用下产生的。
（2）重力式腹拱立柱开裂现象比较普遍，开裂部位以在盖梁与立柱连接处居多，盖梁上也有竖向裂缝。双曲拱桥的横墙或立柱其上下端往往出现有规律的裂缝 ［2］。这种裂缝产生的原因是由于在活载、温度变化、混凝土收缩和徐变作用下，主拱圈下挠，使横墙或立柱两端拉裂。盖梁和底梁裂缝产生的原因主要是结构的横向联系不够，当主拱圈横向发生不均匀变形时，引起各立柱的不均匀沉降，导致盖梁裂缝的产生。而立柱下底梁的受力状态实为在竖向集中力作用下的弹性地基连续梁［3］，当底梁上缘未配筋或配筋太少时就会产生裂缝。
1.3 侧墙及其它病害。主要有：侧墙鼓胀外倾和竖向开裂，侧墙与主拱圈脱落。产生原因：侧墙与主拱圈共同承重，引起变形导致开裂；填料膨胀，防水性能失败；桥台位移；大气温度引起整体拱圈变形等。
1.4 桥面系病害。 桥面系病害有:桥面不平、不洁，栏杆断裂、残缺和跳车等。其主要原因是缺乏养护而造成的。一般情况下， 桥梁通车后， 养护部门对桥梁养护不够重视，造成桥梁长期失养， 外观损坏严重， 排水不畅， 而桥面铺装过去又多为泥结碎石结构， 强度低， 防水性能差， 桥面水容易下渗进入拱上填料。而拱上填料的膨胀变形反过来又会影响桥面铺装。
1.5 墩台基础的病害。 桥梁墩台的主要病害有:裂缝、剥落、空洞、钢筋外露和锈蚀、材料老化、结构变形或位移等。 双曲拱桥的基础常见病害有不均匀沉降、冲刷、滑移倾斜、基础结构物的异常应力和开裂等［4］。这类病害产生的原因是由于当时对施工企业的技术装备要求不高， 缺乏系统的设计和施工质量保证体系， 因而设计、施工质量普遍低下。其基础大部分都是重力式扩大基础或桩基础。重力式扩大基础由于埋置深度较浅， 抗洪水冲刷能力弱； 采用桩基础时， 又是以单排桩居多， 入土深度浅， 桥墩刚度较小。
2. 双曲拱桥的加固方法综述
双曲拱桥的维修加固方法很多，除了下部结构主要是对基础进行加固外， 上部构造的维修加固主要指对拱横向系梁的加强、拱肋的加强及上部结构填料的调整以及改变结构体系等工作。
2.1 横向联系的维修加固。
当横向联系较弱，可采用加大原拱肋间横系梁截面或适当增加横系梁(横隔板)的方法 ，根据跨径的不同， 一般可增加3～ 5 道。新增横系梁的高度以能包裹住拱肋为宜。一般不宜拆除原有的横向联系， 以避免桥梁整体失稳。随着横向联系的加强， 拱肋的横向整体受力性能提高， 各肋间的变形趋于一致， 从而提高了拱肋抗扭刚度和横向整体性，增加了桥梁的承载能。拱波的纵向开裂也将得到控制。
2.2 拱肋的维修加固。
双曲拱桥主拱圈截面高度不足，或者拱肋截面强度不足，从而导致截面开裂，一般可以采取在拱肋受拉边缘表面粘贴钢板或纤维、螺栓钢板结合加固法、粘结钢筋加固拱肋法，也可以采用受拉侧外包钢筋混凝土或全截面外包钢筋混凝土加大拱肋的方法，通常可以取得较好的效果。当拱波显得薄弱，尤其横向联系较弱时，拱波顶部通常都集中在拱顶与L/ 4 之间往往会产生纵向裂缝，可以在此范围内加厚拱板。
2.3 调整拱上自重、改变结构体系加固法。
当双曲拱桥拱轴线发生变形时，可采取调整拱上自重的布置、改变双曲拱桥结构体系的方法进行加固。可采用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，并用混凝土填料加强原有拱上建筑与桥面板的联系，从而加强拱上建筑刚度，促使主拱圈在活载作用下主要承担轴力，而弯矩转让给加固后的拱上建筑。也可以采用拆除拱上建筑，改建为桁架拱，以减轻自重，使主拱圈承受全部活载及活载引起的轴压力。当立柱无钢筋，可将拱上结构改建为刚架拱。
2.4 桥面铺装。
对于水泥混凝土桥面当裂缝小于0.2mm且周边材质没有破损时，可采用环氧树脂浆法进行注浆封闭，裂缝较大时可采用沥青材质进行填充。坑槽、破裂等缺陷可在原结构进行修补，再铺筑一层4~5mm厚的水泥铺装层。一般强度较低、防水性能较差的低等级桥面铺装应全部清除， 重新铺筑桥面。新铺装面层可以采用普通混凝土或者使用钢纤维混凝土等其它材料。
2.5 桥梁基础的维修加固。
双曲拱桥的墩台及基础的病害主要是地基承载力不够、沉降不均匀，其中墩台的水平位移是拱式桥梁的常见病害。为了消除水平位移引起的损坏，可采用顶推工艺使拱轴复位，调整主拱圈内力，达到加固的目的。也可采用预应力拉杆法［5,6］，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。至于不均匀沉降和地基承载力不足也是其它形式桥梁的常见病害，在双曲拱桥的处置中和其它桥梁结构相同。
3. 结论
经过长时间的使用双曲拱桥虽然有一些缺陷，但经过维修加固改造后，仍然可以使用，并且能够承受较大的荷载，因此旧桥的加固维修具有重要的经济意义。但由于双曲拱桥病害产生的机理各有不同，因此需要针对具体情况查明病害产生的原因，然后采取相应的加固措施提高其承载能力。在实际工程应用中需要根据实际的旧桥情况、承载能力的减弱程度及今后的任务，在彻底了解桥梁的受力力学行为的基础上，充分利用既有结构选择合理加固方案。
参考文献
［1］ 孙明山.桥梁检查及病害原因分析［J］.湖南交通科技，2001，27(4):61～65.
［2］ 交通部科学研究院.公路双曲拱桥上部构造设计计算［M］.北京:人民交通出 版社，1980.
［3］ 张保兴.大型双曲拱桥病害原因分析及加固措施［J］.公路，2004，(6):146～148.
［4］ 蒙云，卢波.桥梁加固与改造［M］.北京:人民交通出版社，2004.
［5］ 刘来君，赵小星.桥梁加固设计及施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2004.
［6］ 蒙云，卢波.桥梁加固与改造〔M］.北京:人民交通出版社，2004.
［文章编号］1006-7619（2011）10-27-993
［作者简介］ 王艺洁（1984.2.7-），女，兰州交通大学硕士在读。
韩晓军，工作单位：中铁隧道集团一处有限公司。
【关键词】双曲拱桥；病害分析；加固方法
Common disease analysis and hyperbolic arch reinforcement Methods
Wang Yi-jie,Han Xiao-jun
(1.Lanzhou Jiaotong University Lanzhou Gansu 730000；
2.China Railway Tunnel Group Co., Ltd Chongqing 400000)
【Abstract】For the current status of the hyperbolic arch, the arch text in the summary analysis of hyperbolic type and its causes various diseases, based on the focus of the hyperbolic arch bridge for a variety of reinforcement methods for hyperbolic arch repair and reinforcement to provide for reference.
【Key words】Hyperbolic arch bridge;Disease analysis;Reinforcement method
双曲拱桥曾广泛的应用于我国60～70年代，这种桥梁具有结构新颖、节省材料、便于施工、造价低等优点。但是受到当时设计水平和荷载标准偏低等影响双曲拱桥存在着先天不足。特别是近些年，随着交通流量的增加，在长期重荷载、大交通量的运营情况下，大部分双曲拱桥都出现了不同程度的病害。鉴于这种桥梁具有相当的数量，全部拆除重建既不经济，也不符合我国国情，因此，对病害情况进行分析，进而进行加固和技术改造具有重要意义。本论文基于这种思想，从理论上对双曲拱桥的病害类型及原因进行分析，并总结了常见的加固方法。
1. 双曲拱桥的病害类型
按照病害发生位置的不同，可以将这些病害分为: 主拱圈病害、腹拱病害、桥面系病害、及墩台基础的病害。裂缝是双曲拱桥的主要病害形式（见图1）。
图1
1.1 主拱圈病害。主拱圈裂缝出现最多的是在跨中下缘和拱脚上缘的径向缝及拱波纵向缝。一般说来主拱圈上的裂缝大体可分为3种类型。
1.1.1 水平缝（环向缝）：拱肋与拱波交界处顺跨径方向上的裂缝。水平缝又可分为法向拉力水平缝和剪力水平缝两种。
法向拉力水平缝出现在拱顶附近正弯矩较大的区段。当结合面的实际拉应力大于结合面的极限拉应力时，即会出现法向拉力水平缝。剪力水平缝出现在拱脚附近剪力较大的区段。水平缝产生的原因，没设专门的结合设施或者措施，拱波过于单薄，拱肋与拱波之间也存在施工缝，桥台发生水平位移，使肋和波之间的结合面剪力、拉力增大，导致裂缝产生；拱波坐浆不良；拱波脚的斜面脚较大；砂浆质量差，含水量较大，延肋波结合面形成裂缝。
1.1.2 径向缝：多发生在跨中和拱脚。主要有拱肋径向缝和拱背径向缝。
（1）拱肋径向缝产生在拱顶附近正弯矩较大的区段。产生的原因，拱圈截面太薄，正弯矩作用导致拱肋下缘开裂；桥（墩）台发生水平位移，拱顶部位正弯矩大大增加，拱肋的拉应力超过极限拉应力所致。
（2）拱背径向缝多产生在拱座与拱脚之间交接处。产生原因，拱圈截面太薄，负弯矩大；桥台水平位移，负弯矩增加。这种裂缝一般并不有害，但会引起主拱圈内力的重分布，减少拱脚弯矩；而且拱脚截面无钢筋通过，不存在钢筋锈蚀的问题。但应防止过大的桥台位移，因为它将使拱脚截面拱肋混凝土压应力超过极限值而压坏。
（3）波顶纵缝：在拱波顶部沿拱轴线方向的裂缝，较多地出现在拱顶附近，有时也出现在拱脚附近。采用平式拱板时，拱波横向为变截面连续板，波顶为最薄弱截面，容易因收缩而在波顶拉裂。当采用波型或折线型拱板时，可防止这种裂缝的出现。横向联系差或者根本没有横向联系是产生波顶纵缝的一个重要原因。桥台位移及超载使用也会产生这种裂缝。
1.2 腹拱病害。在对危旧双曲拱桥的调查中，发现几乎所有空腹式双曲拱桥的腹拱都有不同程度的损坏，主要有腹拱圈裂缝、立柱或横墙的规律性裂缝以及盖梁和底梁的裂缝等(见图2)。
图2
（1）腹拱圈裂缝病害主要有腹拱横向裂缝和环向裂缝［1］，且横向裂缝较为严重，对结构的影响也较大。 腹拱裂缝产生的原因是:由于荷载、温度变化、主拱变形及混凝土收缩等作用，使腹拱内产生了较大的内力而引起开裂。腹拱圈环向裂缝的另一个原因是腹拱圈预制分块太多，致使其整体性差，在载荷反复作用下产生的。
（2）重力式腹拱立柱开裂现象比较普遍，开裂部位以在盖梁与立柱连接处居多，盖梁上也有竖向裂缝。双曲拱桥的横墙或立柱其上下端往往出现有规律的裂缝 ［2］。这种裂缝产生的原因是由于在活载、温度变化、混凝土收缩和徐变作用下，主拱圈下挠，使横墙或立柱两端拉裂。盖梁和底梁裂缝产生的原因主要是结构的横向联系不够，当主拱圈横向发生不均匀变形时，引起各立柱的不均匀沉降，导致盖梁裂缝的产生。而立柱下底梁的受力状态实为在竖向集中力作用下的弹性地基连续梁［3］，当底梁上缘未配筋或配筋太少时就会产生裂缝。
1.3 侧墙及其它病害。主要有：侧墙鼓胀外倾和竖向开裂，侧墙与主拱圈脱落。产生原因：侧墙与主拱圈共同承重，引起变形导致开裂；填料膨胀，防水性能失败；桥台位移；大气温度引起整体拱圈变形等。
1.4 桥面系病害。 桥面系病害有:桥面不平、不洁，栏杆断裂、残缺和跳车等。其主要原因是缺乏养护而造成的。一般情况下， 桥梁通车后， 养护部门对桥梁养护不够重视，造成桥梁长期失养， 外观损坏严重， 排水不畅， 而桥面铺装过去又多为泥结碎石结构， 强度低， 防水性能差， 桥面水容易下渗进入拱上填料。而拱上填料的膨胀变形反过来又会影响桥面铺装。
1.5 墩台基础的病害。 桥梁墩台的主要病害有:裂缝、剥落、空洞、钢筋外露和锈蚀、材料老化、结构变形或位移等。 双曲拱桥的基础常见病害有不均匀沉降、冲刷、滑移倾斜、基础结构物的异常应力和开裂等［4］。这类病害产生的原因是由于当时对施工企业的技术装备要求不高， 缺乏系统的设计和施工质量保证体系， 因而设计、施工质量普遍低下。其基础大部分都是重力式扩大基础或桩基础。重力式扩大基础由于埋置深度较浅， 抗洪水冲刷能力弱； 采用桩基础时， 又是以单排桩居多， 入土深度浅， 桥墩刚度较小。
2. 双曲拱桥的加固方法综述
双曲拱桥的维修加固方法很多，除了下部结构主要是对基础进行加固外， 上部构造的维修加固主要指对拱横向系梁的加强、拱肋的加强及上部结构填料的调整以及改变结构体系等工作。
2.1 横向联系的维修加固。
当横向联系较弱，可采用加大原拱肋间横系梁截面或适当增加横系梁(横隔板)的方法 ，根据跨径的不同， 一般可增加3～ 5 道。新增横系梁的高度以能包裹住拱肋为宜。一般不宜拆除原有的横向联系， 以避免桥梁整体失稳。随着横向联系的加强， 拱肋的横向整体受力性能提高， 各肋间的变形趋于一致， 从而提高了拱肋抗扭刚度和横向整体性，增加了桥梁的承载能。拱波的纵向开裂也将得到控制。
2.2 拱肋的维修加固。
双曲拱桥主拱圈截面高度不足，或者拱肋截面强度不足，从而导致截面开裂，一般可以采取在拱肋受拉边缘表面粘贴钢板或纤维、螺栓钢板结合加固法、粘结钢筋加固拱肋法，也可以采用受拉侧外包钢筋混凝土或全截面外包钢筋混凝土加大拱肋的方法，通常可以取得较好的效果。当拱波显得薄弱，尤其横向联系较弱时，拱波顶部通常都集中在拱顶与L/ 4 之间往往会产生纵向裂缝，可以在此范围内加厚拱板。
2.3 调整拱上自重、改变结构体系加固法。
当双曲拱桥拱轴线发生变形时，可采取调整拱上自重的布置、改变双曲拱桥结构体系的方法进行加固。可采用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，并用混凝土填料加强原有拱上建筑与桥面板的联系，从而加强拱上建筑刚度，促使主拱圈在活载作用下主要承担轴力，而弯矩转让给加固后的拱上建筑。也可以采用拆除拱上建筑，改建为桁架拱，以减轻自重，使主拱圈承受全部活载及活载引起的轴压力。当立柱无钢筋，可将拱上结构改建为刚架拱。
2.4 桥面铺装。
对于水泥混凝土桥面当裂缝小于0.2mm且周边材质没有破损时，可采用环氧树脂浆法进行注浆封闭，裂缝较大时可采用沥青材质进行填充。坑槽、破裂等缺陷可在原结构进行修补，再铺筑一层4~5mm厚的水泥铺装层。一般强度较低、防水性能较差的低等级桥面铺装应全部清除， 重新铺筑桥面。新铺装面层可以采用普通混凝土或者使用钢纤维混凝土等其它材料。
2.5 桥梁基础的维修加固。
双曲拱桥的墩台及基础的病害主要是地基承载力不够、沉降不均匀，其中墩台的水平位移是拱式桥梁的常见病害。为了消除水平位移引起的损坏，可采用顶推工艺使拱轴复位，调整主拱圈内力，达到加固的目的。也可采用预应力拉杆法［5,6］，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。至于不均匀沉降和地基承载力不足也是其它形式桥梁的常见病害，在双曲拱桥的处置中和其它桥梁结构相同。
3. 结论
经过长时间的使用双曲拱桥虽然有一些缺陷，但经过维修加固改造后，仍然可以使用，并且能够承受较大的荷载，因此旧桥的加固维修具有重要的经济意义。但由于双曲拱桥病害产生的机理各有不同，因此需要针对具体情况查明病害产生的原因，然后采取相应的加固措施提高其承载能力。在实际工程应用中需要根据实际的旧桥情况、承载能力的减弱程度及今后的任务，在彻底了解桥梁的受力力学行为的基础上，充分利用既有结构选择合理加固方案。
参考文献
［1］ 孙明山.桥梁检查及病害原因分析［J］.湖南交通科技，2001，27(4):61～65.
［2］ 交通部科学研究院.公路双曲拱桥上部构造设计计算［M］.北京:人民交通出 版社，1980.
［3］ 张保兴.大型双曲拱桥病害原因分析及加固措施［J］.公路，2004，(6):146～148.
［4］ 蒙云，卢波.桥梁加固与改造［M］.北京:人民交通出版社，2004.
［5］ 刘来君，赵小星.桥梁加固设计及施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2004.
［6］ 蒙云，卢波.桥梁加固与改造〔M］.北京:人民交通出版社，2004.
［文章编号］1006-7619（2011）10-27-993
［作者简介］ 王艺洁（1984.2.7-），女，兰州交通大学硕士在读。
韩晓军，工作单位：中铁隧道集团一处有限公司。