一种双曲拱桥新型加固方法与流程

本发明涉及桥梁维修加固技术领域，具体涉及一种双曲拱桥新型加固方法。

背景技术：

双曲拱桥是我国独创的一种结构形式，多建于上世纪70到80年代，它一般是由主拱圈和拱上建筑组成，如附图1所示。主拱圈是由拱肋、拱波、拱背或拱板、横向联系等几部分组成，拱上建筑一般是由横墙或立柱、腹拱圈、拱上填料、桥面系等几部分组成，由于其外形在纵横两个方向均呈弧形曲线，故称为双曲拱桥，具体结构如图1所示。

双曲拱桥由于具有节省材料、造价低廉、施工简便、造型美观等特点，很快在全国范围内得到了广泛推广和应用。但由于之前的设计荷载标准较低、结构用钢量少等原因，该类型桥梁存在着明显的先天缺陷。近年来，随着交通量巨增、自然侵蚀、材料老化等多种因素的影响，结构出现了不同程度的病害，存在着严重的安全隐患。尽管如此，双曲拱桥具有一定的承载能力,只要找到病害的原因,采用合理的加固方法，就能充分发挥和提高其承载潜力。

主拱圈是双曲拱桥中最主要的上部承重构件，也是出现病害最多的构件，因此对主拱圈进行维修加固的是我们研究的主要方向。双曲拱桥主拱圈的常用加固方法有拱肋外包混凝土加固法，粘贴钢板或碳纤加固法，喷锚混凝土加固法，增强横向联系加固法等，这些加固方法基本上都是从拱圈的下部（拱腹）进行加固。从拱腹进行加固的方法，虽有不少优点，但存在施工不便，施工质量不易保证的缺点，这类方法需要在桥下搭设大量的施工支架，当桥梁跨越沟谷、河流、公路、铁路等地区时，施工往往比较困难，加固费用高，还会严重影响桥下交通。且以往的加固方法均会造成桥梁外观的较大改变，对一些具有文物价值的桥梁，将造成不可弥补的伤害。

目前，有专利通过改造主拱圈的结构从而增强整个拱圈的强度，以此来达到增强整个桥梁的稳定性，如专利申请公布号为“cn106284106a”的名为“一种双曲拱桥拱复合套拱加固方法”的中国发明专利，该专利介绍了一种通过增大主拱圈截面的方式增强主拱圈强度的加固方法，该方法是沿顺桥向方向在主拱圈的拱背上浇筑出多条拱形的与主拱圈等长的混凝土加强筋，通过多条间隔排列的凸出于拱背的加强筋增强主拱圈的结构强度。该专利的方法能够极大的增强整个主拱圈的结构强度，但是此种加固方法有两个不足之处：一是新增混凝土自重过大，增加了主拱圈的承重负担，再加上原主拱圈本身存在不少病害，可能使原主拱圈及其下部结构遭到二次破坏；二是施工工序复杂，材料耗费较大，加固费用较高。

也有论文提出了通过加厚拱背来增强主拱圈的强度，这种方法被称为拱背增大截面法。拱背增大截面法又分为等厚度加固与变厚度加固，等厚度加固是指新加混凝土的厚度相同，变厚度加固是指新加混凝土的厚度不同。如题目为“张丽丽.双曲拱桥主拱圈加固方法有限元分析[d].东北林业大学，2014”的论文提到的拱背增大截面法就是等厚度加固，该方法是在拱背上从拱脚到拱顶的一定范围内布置一定数量的钢筋并现浇等厚度的混凝土增大拱圈截面，增大其截面高度和抵抗负弯矩的能力，从而提高双拱桥的承载能力。而题目为“王雪锋.拱背增大截面法加固双曲拱桥的研究与应用[d].武汉理工大学,2012”的论文提到的拱背增大截面法是变厚度加固，该方法与等厚度加固法的唯一区别是现浇混凝土厚度是从拱脚到拱顶依次降低的，该方法与等厚度加固法相比，表面上看是减少了新增混凝土的自重，实际上并不是，通过有限元建模分析可知，消耗相同数量的混凝土，等厚度加固法比变厚度加固法的加固效果更好，故在以后的加固方案中，我们应优先考虑等厚度加固。以上由拱背增大截面法衍生过来的两种加固法均有两个不足之处，一是上面所提到的新增混凝土的自重过大，加大了旧桥的承重负担；二是当结构开裂后，新旧混凝土结合面的剪应力主要靠贯穿结合面的抗剪钢筋所产生的被动剪切摩擦力来承担，结合面抗剪能力有限，容易产生横桥向滑移或错动。

由此可见，现阶段双曲拱桥加固主要存在三大难题：一是，如何减少新增混凝土的自重，即一般的加固方式新增混凝土自重过大，增加了旧桥的承重负担，不能最大化的提高桥梁的承载能力；二是，如何最大限度地提高新旧混凝土结合面的抗剪能力，从而更有效的提高加固后结构的整体性，确保结合面应力的有效传递；三是，如何简化施工工序，降低加固成本，以求用最小的代价获得最大的经济效益。目前还没有有效的加固方法能解决这三大难题。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于针对现有技术的不足，提供一种新型的双曲拱桥加固方法。

一种双曲拱桥新型加固方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）封闭桥面交通，拆除桥面板、桥面附属设施，清除拱上填料；

2）在拱背上方与原拱肋相对应的位置沿顺桥向开凿矩形槽，矩形槽是从拱脚开始向拱顶延伸，矩形槽开凿时从两侧的拱脚开始对称开凿，并一起延伸至矩形槽槽口终点，遇到横墙阻挡时，使用高压水射流技术将横墙凿通，使矩形槽沿顺桥向贯穿所有的横墙；

3）在矩形槽底部凿毛、植入抗剪钢筋，然后在矩形槽顶部拱背上搭设模板，绑扎钢筋，浇筑混凝土形成凸出于拱背的新拱肋，浇筑出的新拱肋贯穿每一片横墙，新拱肋相对于拱背的高度均相同；

4）修补横墙，将横墙沿顺桥向两侧的一部分拱背和新拱肋凿毛，在凿毛的拱背和新拱肋上植筋、搭建模板，向模板内浇筑混凝土修补横墙破损处，新浇混凝土将横墙下部破损处包裹在内，还将一部分的新拱肋包裹在内，增强了整个结构的稳定性；

5）在横墙顶部凿毛，植入竖向钢筋，搭建新立柱，用于支撑桥面板；

6）新建桥面板，待桥面板建造完成后，安装与原桥同样形式、尺寸的桥面附属设施。

更进一步的方案是：所述新拱肋与矩形槽的宽度相同。

更进一步的方案是：所述新拱肋与原主拱圈之间是采用嵌套的方式进行联结。

更进一步的方案是：在开凿矩形槽时，是采用高压水射流技术进行开凿的。

更进一步的方案是：所述新拱肋与矩形槽是贯穿每一片横墙的。

更进一步的方案是：在修补横墙时，是采用外包混凝土的方式对横墙进行修补的。

本发明具有桥梁结构自重增加少、新旧结构整体性好、加固成本低、适应性好、不受桥下环境制约、不改变原桥外观、可操作性好、应用前景好等优点，具体说明如下：

（1）结构自重增加少：经本方法加固后的结构相比原结构自重增加少，只有新拱肋相对于拱背的部分才是真正的新增混凝土，且新拱肋的截面尺寸比较小，故加固后的桥梁结构自重增加少，可以最大化提高桥梁承载能力；

（2）新旧结构整体性好：本加固方法不仅通过在新旧结构结合面设置抗剪钢筋的方式来提高加固后结构的整体性，而且通过槽口两壁来阻止新增拱肋的横桥向滑动或错位，增强了结合面的抗剪能力，从而来提高加固后结构的整体性；

（3）加固成本低：本加固方法施工工序相对简单，材料耗费少，新浇混凝土数量少，且大部分工作都可以在拱背以上完成，施工过程中无需搭设支架，加固成本低；

（4）适应性好：本加固方法可以应用到各种跨径、布置形式的双曲拱桥加固改造中，也可以运用到钢筋混凝土板拱桥的加固中；并且，根据加固前桥梁承载能力状况以及损坏情况，可根据需要适当调整槽口开凿的范围，从而极大地改善主拱圈的承载能力、受力性能和安全储备；

（5）不受桥下环境制约：本加固方法大部分工作在拱背以上完成，施工过程中无需搭设桥下施工支架，对跨越河流、公路、铁路的桥梁施工方便，不影响桥下交通，社会影响小；

（6）不改变原桥外观：本加固方法尽可能多地保留原结构，外露的主体构件根据需要可全部保留，新增结构均位于主拱圈、桥面及侧墙所组成的封闭空间中，从外部不可见。该方法能保证桥梁维持原有历史风貌不变化；

（7）可操作性好：本加固方法先拆除大部分拱上建筑，新增拱肋建造时作业空间不受限制，施工安全和质量更有保障。原拱背上新开槽口可采用超高压水射流破碎技术实施，施工精度高，过程中不损伤需保留的原结构，大量的混凝土破碎工作均由机械完成，大大减轻劳动强度；

（8）应用前景好：国内运营中的双曲拱桥数量庞大，其中大部分有待加固，在原拱背新增拱肋的加固方法，能够极大地改善在役双曲拱桥的受力性能、提高桥梁运营年限、节约建设资金，本方法不改变桥梁外观，对具有文物性质和历史价值的双曲拱桥意义重大。

附图说明

图1原双曲拱桥结构示意图；

图2新拱肋与原主拱圈组合构造示意图（a为立面图、b为剖面图）；

图3加固后的双曲拱桥结构示意图；

其中：1—主拱圈；1.1—原拱肋；1.2—拱背；1.3—横墙；1.4—腹拱圈；1.5—拱上填料；1.6—桥面；1.7—桥面附属设施；2—新拱肋；3—新立柱。

具体实施方式

下面结合附图和具体工程实例对本发明作进一步的详细说明。

如附图2～3所示，本工程实例通过在拱背上新增拱肋，增加整个主拱圈的结构强度，从而提高整个双曲拱桥的承载能力。

本工程实例的施工步骤如下：

（1）封闭桥面交通，首先拆除栏杆、人行道板、灯柱等附属结构，然后采用人工配合风镐等小型机械破碎拆除桥面铺装，接着采用人工配合超高压水射流方式清除拱上填料；

（2）使用高压水射流技术或其他设备在拱背上与原拱肋对应的位置沿顺桥向开凿矩形槽，矩形槽具体开凿范围为图3所示的主拱圈空腹段（对于主拱圈实腹段，因拱上填料较厚，对轮式荷载有良好的分布作用，且实际使用中很难见到该段主拱圈出现裂缝，故可不考虑该段主拱圈的加固；对于拱顶实腹段，拱顶弯矩可通过加固拱脚的方式得到“转移”，故也不考虑对该段加固），矩形槽的深度一般不小于15cm（根据《公路桥梁加固设计规范》(jtg/tj22-2008)规定，对于梁和受压构件，新筑混凝土层的最小厚度不宜小于15cm)，根据现场工作经验，矩形槽的宽度一般为1.5倍左右的原拱肋宽度，开设时从两侧的拱脚开始对称开凿，并一起延伸至矩形槽槽口终点，遇到横墙阻挡时，使用高压水射流技术将横墙凿通，使矩形槽沿顺桥向贯穿所有横墙；

（3）在槽口底部凿毛、植入抗剪钢筋，然后在矩形槽顶部拱背上搭设模板，绑扎钢筋，浇筑混凝土形成凸出于拱背的新拱肋，浇筑出的新拱肋贯穿每一片横墙，新拱肋相对于拱背的高度均相同；根据以往的加固经验，新拱肋相对于拱背的高度一般为20cm~40cm，具体如图2所示；

（4）修补横墙，将横墙沿顺桥向两侧的一部分拱背和新拱肋凿毛，在凿毛的拱背和新拱肋上植筋、搭建模板，向模板内浇筑混凝土修补横墙破损处，新浇混凝土将横墙下部破损处包裹在内，还将一部分的新拱肋包裹在内，增强了整个结构的稳定性；

（5）在横墙顶部凿毛，植入竖向钢筋，搭建新立柱，用于支撑桥面板，原桥面通过填料支撑，填料重量太大，使主拱圈承受巨大的压力，改用立柱后，减轻了主拱圈的承受压力，增强了桥梁结构的稳定性；

（6）新建桥面板，待桥面板建造完成后，安装与原桥同样形式、尺寸的人行道板、栏杆等附属设施等。加固后的双曲拱桥结构如图3所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述工程实例的限制，上述工程实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都要落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。