钢筋混凝土肋拱桥拱肋箱型截面转换加固探究
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摘要：钢筋混凝土肋拱桥具有自重轻、推力小、经费省的特点，在我国得到广泛的应用。文章提出将钢筋混凝土拱肋全拱或部分拱肋截面转换成箱形截面的加固技术，调整拱肋受力模式，使多片拱肋共同作用，以增强钢筋混凝土拱肋的抗弯刚度和抗扭刚度，从而提高钢筋混凝土肋拱桥的承载能力。
关键词：钢筋混凝土肋拱桥；箱型截面；转换加固
中图分类号：U445文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）05-0171-03
随着经济建设的发展，交通量的不断增加，超载超限现象的加剧，其自重轻、拱肋刚度小、横向联系弱，拱上结构不能共同作用点也暴露无遗，这大大降低了桥梁结构的安全系数和使用耐久性，严重时将直接导致结构的破坏、垮塌，造成严重后果。
钢筋混凝土肋拱桥无论是双肋式还是多肋式，均由立柱将拱上荷载传递给拱肋。由于横系梁将多片拱肋相连，当拱肋承受荷载的时候，横系梁起到了一定的荷载分配作用，使拱肋不至于单独受力而承载过大导致混凝土承载能力不足破坏。因此，横系梁的作用是至关重要的，增强拱肋之间的横系梁有助于使拱上荷载的分布更为均匀，从而降低单根拱肋所承受的荷载，提高了拱桥的承载能力。本文提出了将肋拱桥的拱肋用钢筋混凝土箱全部或部分封闭，以增强横系梁的抗扭刚度，改善拱肋的荷载横向分布系数，使其整体受力性能得以提高，避免在偏、重荷载作用下单肋承受过大应力而发生过大的变形，从而有效提高钢筋混凝土肋拱桥的承载能力。箱型截面转换方案如图1所示：
二、钢筋混凝土肋拱桥拱肋箱型截面转换加固技术支持
（一）截面增大
1．忽略二次受力的增大截面法计算模式。现浇钢筋混凝土箱型加固层时，主要是利用锚杆及箱型封闭层混凝土本身的粘结力，将现浇钢筋混凝土加固层和原拱肋的拱背和拱腹有机地粘结在一起，从而有效地增大了抗弯、抗压截面，达到共同承担后期荷载的目的。加固前，拱肋的正截面强度计算模式为：
?酌0Nd
式中：γ0――结构重要性系数；Nd――轴向力设计值；A――原拱肋截面面积；fcd――钢筋混凝土轴心抗压强度设计值；?渍――构件轴向力的偏心距e和长细比β对受压构件承载力的影响系数。加固后，设加固层材料在承载力极限状态下实际发挥作用的截面等效面积为A1，在暂不考虑复合截面发生界面的粘结破坏等情形，仅仅从定性的角度考虑截面增大效应的条件下，箱型加固层截面混凝土的正截面强度计算模式为：
现浇钢筋混凝土箱型加固层增大拱肋截面可定性确定拱肋的极限承载力明显得到提高。
2．考虑二次受力的增大截面法计算模式。（1）基本假定：1）加固层和原结构层粘结良好，连接可靠，可保证二次受力时加固结构共同工作，协调变形；新旧材料结合面不发生滑移，结构不会因后加混凝土剥离脱落而发生破坏；2）不考虑外包钢筋混凝土的套箍约束对核心混凝土的强度和变形性能的影响，钢筋混凝土的约束作用可以使核心混凝土的抗压强度和变形能力显著提高；3）截面变形保持平面；4）混凝土受压时的应力应变关系采用下述公式；5）钢筋的应力取值等于应变与弹性模量的乘积。
式中：?着0为混凝土的峰值压应变；?着cu为混凝土的极限压应变。
（2）加固后主拱圈正截面强度计算模式推导：
采用箱型混凝土加固层加固后，一方面拱肋由于截面的增大，其承载能力得到提高；另一方面，现浇混凝土之后拱肋所承受的恒载必然增大，使拱肋所承受的弯矩和轴力也进一步增大，拱肋所承受的弯矩和轴力分别从加固前的M1、N1增大至加固后的M1＋M2、N1＋N2。
（二）基于改善横向分布系数的加固
钢筋混凝土肋拱桥的拱肋一般用横系梁进行连接，横系梁起到了一定的荷载分配作用，使拱肋不至于单独受力而承载过大导致混凝土承载能力不足破坏。箱型截面较原肋拱具有良好的抗弯扭能力，比肋拱更能起到分担均化荷载分布的作用。因此，横系梁的作用是至关重要的，增强拱肋之间的横向连接有助于使拱上荷载的分布更为均匀，从而降低单根拱肋所承受的荷载，提高了拱桥的承载能力。由于横系梁的连接作用，在这种荷载状况下，拱肋所发生挠度必然受到限制，而横系梁因此也收受到上下拉力作用，从而引起拱肋产生扭转应力。因此，采用箱型截面增强拱肋连接强度后能够更好的改善拱肋分担荷载的能力。钢筋混凝土肋拱桥的截面尺寸一般为箱型和矩形两种，下面以矩形截面为例进行分析。矩形截面加固前后截面形式如图4和图5所示：
三、钢筋混凝土肋拱桥实用加固技术
（一）增大截面法
增大截面法加固拱肋或立柱等主要是增大构件的截面和配筋，用以提高构件的强度、刚度、稳定性和抗裂性，也可以用来修补裂缝等。增大截面法加固肋拱桥一般是在拱背和拱腹现浇钢筋混凝土层，主要目的是增大构件受压区和受拉区截面的面积，从而提高构件的的抗拉压能力。受压区现浇钢筋混凝土加固，一般用于拱桥的拱肋、立柱等，采用受压区加固的受弯构件，其承载力、抗裂度、钢筋应力、裂缝宽度及变形计算和验算可按现行国家标准《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）中关于增大截面法加固计算。受拉区现浇钢筋混凝土加固的方法，一般用于肋拱桥的拱顶的拱腹部位和拱脚的拱背部位等受拉区。
（二）钢筋混凝土套箍封闭拱脚
通过有效保障措施，在原拱脚外层环状封闭钢筋砼层，钢筋混凝土套箍封闭主拱圈技术对肋拱桥的拱脚进行加固，即沿拱肋外包现浇增设钢筋混凝土套箍层，利用新增设钢筋砼套箍层与原拱肋的共同协调变形、承担活载，达到提高桥梁承载力、防水蚀、抗风化的目的。
（三）粘贴加固法
粘贴加固法是采用环氧树脂或建筑结构胶，将钢板或碳纤布维等高强度、高弹性模量、可塑性强的碳纤维层粘贴于被加固的钢筋混凝土结构物的受拉区或抗剪薄弱部位，使之与被加固结构物形成整体共同受力，以提高结构的刚度，改善其受力状态，限制裂缝的开展，提高结构的承载能力。粘贴加固法一般用于拱肋的拱顶拱腹位置，盖梁或纵梁的底部，桥面板底部受拉区，以增强构件的抗拉能力。在拱肋的受拉区粘贴钢板或碳纤维布可以显著提高结构的抗弯刚度，对以控制结构变形为主要目的的使用功能加固是十分有效的。后加钢板或碳纤维与被加固混凝土拱肋之间的可靠粘结是两者共同工作的基础，是粘贴加固法的关键技术。要保证其关键技术的有效性，加固所用的胶必须是粘结强度高、耐久性好，并具有一定的弹性。
（四）桥面系改造
1．简支变连续：简支变连续其实质就是在原简支梁的端部施加了反弯矩，从而使截面的最正大弯矩减小，截面的抗弯承载力增大。钢筋混凝土肋拱桥的桥面一般设计为简支板或简支梁结构，在荷载作用下，桥梁的端部不产生弯矩，只存在剪力，而跨中的弯矩较大。通过简支变连续结构，能够使简支板或梁在伸缩缝位置处固定连接，将相邻的桥面板连接成为整体。通过这种连接上的构造处理，桥面板的受力形式发生了改变。原简支板或梁的端部位置不承受弯矩，在简支变连续之后，桥面板的端部在活载作用下将承受一定的负弯矩，同时原来桥面板跨中部位由于端部负弯矩对跨中正弯矩的抵消作用，削弱了部分弯矩，因此，跨中的最大弯矩减小，截面能够承受更大的活载作用，从而提高了桥梁的承载能力。
2．桥面铺装改造：桥面结构在使用一段时间后，铺装层混凝土将产生一定的结构或非结构裂缝，最终导致桥面铺装混凝土破损，更为严重的时候将直接影响到桥面板的受力，承重结构破坏。通过对桥面铺装的改造，如加强伸缩缝处配筋，修补混凝土裂缝及破损部位，改善桥面的跳车影响及渗水腐蚀等情况，就可以改善桥梁的承载能力。
（五）体外预应力加固
1．体外预应力索加固，如图6所示：
体外预应力是指预应力筋位于混凝土截面之外，而普通无粘结和有粘结预应力的预应力筋是位于混凝土的界面之内。体外预应力结构体系是后张预应力结构的分支之一，其原理与无粘结预应力作用相同。能够同时提高桥面板的跨中截面抗弯能力和端承截面的抗剪能力。
2．体外预应力简支变连续，如图7所示：
体外预应力简支变连续加固方法改变了结构的受力体系，通过预应力钢束使简支梁连为整体，增加了结构的整体性。使承载力有较大的提高，在体外预应力加固的过程中，在相同控制应力的情况下，桥梁的安全度也有较大提高。
参考文献
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作者简介：周丹（1982-），男，江西南昌人，供职于北京市市政工程研究院深圳分院，研究方向：道路与桥梁工程。