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摘要：拱桥结构有其自身的特点和技术优势，如：跨越能力大、承载能力高、经济便利而美观等，然而，拱桥结构长期运营之后也显现出较多的病害现象和问题，极大地降低了拱桥结构的承载能力和美观性，为此，要采用加固拱桥的方式和措施，以较好地实现对桥梁的维修加固使用，可以采用全新的钢箱底推加固法，在这种新的桥梁加固方法的应用条件下，桥梁在不同的底推力作用之下，可以使其加固部分与原结构部分协同产生卸载作用，达到较为明显的桥梁加固效果。
关键词：拱桥；加固；钢箱底推法；卸载效用
随着我国交通运输建设的不断延伸，桥梁作为确保公路畅通的咽喉，有其不可替代的交通运输功能和效用，拱桥结构以其经济美观、承载能力强、跨越度较大等优势得到广泛的应用，然而在新的历史发展时期，拱桥的加固与维修成为了当前的重大课题，要引入新的钢箱底推加固法，使桥梁加固部分与原结构部分产生协同卸载的作用，相较于传统的桥梁加固法而言，有自身独特的加固原理和特点，从而较好地保持和提高原有桥梁的承载能力。
1 拱桥结构概述
拱桥结构具有自身独特的受力性能，它在竖向荷载的作用力下，支承部位可以生成竖向反力和水平推力，相较于梁式桥梁结构而言，这种水平推力可以使拱的弯矩比同等跨径的梁的弯矩要小，具有自身独特的优势特点，表现为：跨越能力大；就地取材，较好地节约钢材和水泥材料；经久耐用且维修成本较低；简单美观易于操作。然而，拱桥结构也有自身的缺陷和不足，表现为：自重较大，要求地基具有良好的条件；修建时间较长；造价较高；上承式拱桥的建筑高度较高，使其应用受到限制。
在长期的使用之下，拱桥逐渐显现出损坏，其原因在于：（1）设计标准低，无法承受长期的超载行车现象。（2）自然灾害对拱桥的损坏性影响；（3）天气状况的变化对桥梁的损坏影响；（4）软土地基沉陷导致拱桥受到损坏。
在不同因素的影响之下，拱桥的结构性缺陷具体表现为：（1）拱桥的径向裂缝。它通常出现于拱桥的拱脚、拱顶部位，并与拱轴线相垂直。（2）拱圈的纵向裂缝，它通常沿桥面中线向跨经的方向延伸。（3）拱肋与拱波结合面上的环向裂缝。（4）桥梁基础的缺陷。这是由于地基基础的不均匀沉降、滑移、倾斜、异常应力、开裂而导致拱桥出现缺陷。（5）墩（台）身的缺陷。墩（台）身是桥梁下部结构的主体，会随着基础的不均匀沉降、滑移、倾斜等而受到损坏。
2 拱桥加固的传统技术和方法分析
2.1 锚喷技术。它是用锚杆设置钢筋网，喷加适量的速凝剂的混凝土，使之成为复合主拱圈，产生与原主拱圈的协同效应，提升桥梁的承载能力。
2.2 碳纤维加固技术。它是采用高强度、高弹性模量、可塑性极强的碳纤维材料，粘贴和加固桥梁结构的表面，适用于刚度满足而强度不满足的桥梁加固。
2.3 钢筋混凝土套箍封闭主拱圈加固技术。这是在原主拱圈的外层形成环状、封闭式的钢筋混凝土层，与原主拱圈产生协同的效应，提升桥梁的承载力。
2.4 改变桥梁结构。这是通过改变梁、板的组合或改变拱梁组合的方式，以较好地提升桥梁的承载力。
3 拱桥加固中的钢箱底推法的“卸载效用”研究
传统的拱桥加固技术和方法存在自身的局限性，为此，我们引入新的钢箱底推加固法，预先制作钢箱梁，将其安装于需要加固的拱肋底部，定位准确之后在两拱脚处预留空隙，以实现对千斤顶的安装，并沿拱轴线方向施加推力，锚固好钢箱梁拱脚并将千斤顶拆除。这种钢箱底推加固法的横断面如下所示：
3.1 拱桥加固中的钢箱底推法的应用优点
（1）钢箱底推加固法采用后加钢箱拱的方式，其荷载重量不会传递给桥梁，而是由钢拱负载，钢箱拱之上的结构荷载依旧保持原有的状态。（2）钢箱底推加固法向桥梁施加水平底推力，可以较好地降低原拱圈的应力状态，产生“卸载效用”，极大地避免了后加钢箱拱应力而导致应变迟滞的问题，同时也使材料利用最大化。（3）钢箱底推加固法对于拱桥原有的拱圈不会产生较大的破坏性影响，原拱圈的荷载能力基本保持不变。（4）钢箱底推加固法不再采用新老结构接触面之间的剪力实施加固，而是依赖于径向力以实现对拱桥的加固，可以较好地实现对新老结构的加固粘结，使应力水平达到较高的使用状态。（5）钢箱底推加固法对于桥梁的交通不会产生较大的影响。（6）钢箱梁的结构形态可以使拱圈截面的惯性矩增加，增强拱桥结构的刚度和承载能力。
3.2 拱桥加固设计
在采用拱桥结构的钢箱底推加固法之中，要采用现场测试、分析、计算的方法，测定拱桥的损伤状态及可承载的能力，将其与加固、提载等级要求相结合，计算获取加固钢拱内的预应力、加固后拱桥各构件的预应力值。同时，要实现对加固钢拱结构的截面、构造、构件加固补强、加固施工等内容的设计，并最后实现承载力验算。通过这种变被动为主动的加固方法和措施，可以较好地达到加固效果。
（1）现场测试的设计。在对拱桥结构的钢箱底推加固法的应用中，要实现对拱桥结构的现场测试，主要包括有：桥梁上部结构的外观质量检测；桥梁结构混凝土裂缝检测；桥梁结构混凝土强度检测；代名词化深度检测；桥梁主体构件钢筋锈蚀状况检测；静载试验等。
（2）做好前期的桥梁病害处理。采用拱桥加固的钢箱底推法之前，要做好拱桥结构的病害处理，具体表现为：蜂窝孔洞病害处理；裂缝修补处理；横系梁加固；主拱圈加固等。
（3）确定加固钢拱底推力。要在设计中关注钢拱自身的强度及稳定性，通过加大加固钢拱内的预应力水平，达到降低原拱桥主拱的应力效果。为了减少对原拱桥结构的整体性损害和影响，避免对拱桥结构造成新的损伤，要在应用有限元计算分析方法的前提下，全面考虑影响钢拱的各种因素，如：原桥主拱肋的应力水平、原拱桥的损伤程度、加固等级、钢拱与原拱肋之间的摩擦力等，以在确保原拱桥整体性的同时增加原桥的承载能力。
（4）确保加固钢拱与原拱桥结构的粘结。要实现钢箱底推加固法在拱桥加固中的“卸载效用”，就要借助于加固截面之间的径向作用应力，要通过加固钢拱与原拱桥结构之间的径向力、切向力的传递作用，较好地实现共同作用。然而，在对钢拱施加预应力的过程中，为了有效地避免钢拱内的预应力的损失及不均匀分布的现象，应当选取早期流动性良好、初凝时间长、后期强度高的粘结剂，以消除粘结剂中的剪切力对钢拱的影响。同时，加固钢拱与混凝土拱肋的粘结面之间还会生成拉应力，这是由于主拱肋内存在一定的弯矩所导致的，要防范和消除粘结面的抗拉强度不足的缺陷和问题，还应当采用在加固钢拱上设置吊耳板的措施和方法，以达到有效避免施加推力时的失稳状态。当没有施加底推力时，吊耳板螺栓锚固可以有效地防止钢拱出现径向位移的现象，而对钢拱的切向位移基本不会产生影响；在施加底推力完成之后即可以最终实现安全可靠的连接。其形状如下图所示：
（5）主拱肋的加固流程
要在对原拱肋混凝土表面清洁处理之后，用砂浆补平原先损伤的部位，对钢拱及钢构件进行放样、加工制作，完成之后在主拱根部植筋，吊装并焊接钢骨架，固定加固支座；焊接临时牛腿并施加底推力，实现对锚固混凝土的加固，完成之后拆除千斤顶。最后还要做好桥面处理工作，加装桥面铺装层，使之具有抗裂性、抗滑性、抗弯曲变形能力。同时，要在采用加铺无筋钢纤维混凝土法的前提下，使新铺装层与旧桥面完全粘结，共同受力，以较好地提升主梁的承载能力。
综上所述，拱桥加固采用钢箱底推法具有自身的优势特点，可以产生良好的“卸载效用”，不会对原拱桥结构造成损伤，减小应力、应变滞后效应，较好地提升拱桥的承载能力。
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论文作者:傅国宁,黄文龙
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第14期
论文发表时间:2017/12/19
标签：拱桥论文; 结构论文; 桥梁论文; 箱底论文; 拱圈论文; 推力论文; 较好论文; 《建筑科技》2017年第14期论文;