三跨双曲拱桥病害特征及改造方案分析

黄 鹏，胡潇月

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都610072；2.四川美姑河水电开发有限公司，四川成都610072)

双曲拱桥将主拱圈以“化整为零”的方法按先后顺序进行施工，再以“集零为整”的方式组合成承重的整体结构，充分发挥了预制装配的优点，可以不要拱架施工，节省材料，施工进度快，且造型美观等优点[1]。由于符合当时我国桥梁建设国情，自20世纪60年代由我国创造出双曲拱桥以来，该桥型已经在全国很多省份得到广泛应用。

著名的南京长江大桥的公路引桥上，具有二十二孔、长约760 m的双曲拱桥。据统计，双曲拱桥问世后10年内，我国大约有4 000座该种桥型的桥建成，共约30×104m，对我国交通建设和经济发展起到了积极的作用[2-4]。

随着交通量的增长和经济的发展，对桥梁的承载能力要求越来越高。由于时代背景原因和自身的结构特点，双曲拱桥结构整体性差，施工质量变异大，设计荷载标准偏低，钢筋用量少。因主拱圈分期形成，呈现组合结构的受力特征，整体性较弱。很多双曲拱桥长期处于超载和大交通量条件下运行，且年久失修，几乎所有的双曲拱桥都出现不同程度的病害，严重威胁交通安全[5-7]。

新建桥梁结构选型时，双曲拱桥逐渐被其他桥型替代[1]。但考虑到经济成本，原有双曲拱桥的改造要根据自身病害特征和荷载要求来确定改造方案。而每座双曲拱桥均有着自身特有的结构受力和病害特征，本文依托某三跨双曲拱桥，对其病害特征进行了分析，并提出了改造建议。

1 工程概况及病害类型

该桥三跨双曲拱桥，由于本桥设计图纸和竣工图纸缺失，现场测量本桥计算跨径23 m；桥梁跨径布置为3×23 m。桥面净宽为净9.0 m+2×0.75 m人行道；大桥上部结构采用3孔净跨径为23 m的等截面悬链线空腹式钢筋混凝土双曲拱。大桥主拱圈由7肋6波组成，各片主拱肋宽均为30 cm。桥面采用整体混凝土铺装。桥梁约建设于上世纪80年代，当时的设计荷载估计为汽-15级，挂-80。目前桥梁破损较严重，行车不顺，部分受力部位出现断裂错位(图1、图2)。

图1 大桥平立面布置

(1)上部结构：拱肋出现了主拱圈开裂、多处较大面积的混凝土破损露筋、与拱波结合处开裂、混凝土严重老化、倒角混凝土破损、水迹白化、混凝土较大面积脱落以及违章建筑等问题。立柱的问题主要有斜向开裂、纵向开裂、环向开裂、局部压裂、混凝土脱落、露筋、麻面等问题。横向连梁、系梁出现麻面、混凝土脱落、倒角破损、受力关键部位开裂、混凝土老化、露筋等问题。除以上所述之外，还有拱波纵向开裂、拱波表明凹凸不平、局部落筋等问题。

(2)桥面系：桥面板出现混凝土老化、破损开裂、露筋且锈蚀严重。桥面铺装混凝土麻面、破损，桥台接坡处跳车；缘石横向开裂，护栏立柱下方混凝土破损；护栏立柱底部环向开裂，挡板开裂、横杆缺失；全桥泄水孔堵塞。

(3)下部结构：拱座基本出现倒角混凝土破损露筋，桩基麻面、露粗骨料，桥台堆放杂物。

(a)拱肋砼脱落 (b)立柱侧面砼开裂

(c)横梁侧面破损露筋 (d)拱肋间拱波纵向开裂

(e)底面露钢筋网 (f)拱座倒角处砼破损露筋

2 病害特征与原因分析

为了分析病害的严重程度，对各类病害进行分析，将影响桥梁结构受力、危害严重的病害按照部位进行统计分类，并进行影响程度评价分析。表1为影响受力的病害特征表。

根据病害类型和位置，主拱圈裂纹有可能由于基础沉降，或者拱轴线系数较大以及桥面荷载超出原设计要求导致拱顶正弯矩过大产生。拱波出现纵向裂纹是由于建造时分开浇筑，拱波顶部形成拉力，易产生纵向裂缝。而环境的长期侵蚀，加上各部位由于受力导致的位移变形，导致混凝土老化、脱落等。设计截面尺寸较小，导致立柱和横系梁抗弯、抗剪能力弱，过大载荷作用引起的主拱圈拱肋间位移和内力重分布，造成立柱和横梁的局部破坏。主拱圈的刚度不足或桥上载荷较大将引起拱波开裂和混凝土破损露筋。过大的受力导致桥面板出现损伤，较差的整体性也会导致附属结构的缺失和开裂。

双曲拱桥病害，从根本上主要有三个原因：

(1)设计标准较低。双曲拱桥建造的时代背景是资源短缺、经济欠发达，为了达到经济、实用的目的，在设计环节中存在承载力设计标准、路面等级低等问题。

(2)设计理论不完善。该桥型是在实践过程中创造出来的，受力机理和关键技术没有经过深入的科学研究就大范围推广，导致基础处理不当、细部构造不完善、拱轴线不合理、截面尺寸偏小、刚度和强度不足等。

(3)桥梁施工质量较低。由于缺乏专业的桥梁人才，存在大量经验指导施工过程现象，施工流程、施工工艺存在缺陷，直接影响桥梁的承载力和耐久性等，产生施工质量问题。

(4)现代交通量增长迅速，导致双曲拱桥承载超出设计。双曲拱桥设计标准较低，公路等级、桥梁承载力要求不断提高，桥上荷载的不断加大。过重车载作用，加上自然环境的作用，拱桥构件会发生各种损失和破坏。

表1 病害特征表

3 改造方案分析

根据病害的汇总和分析可以发现，该双曲拱桥上部主体受力结构、桥面系以及附属结构均破坏严重，需要加固或者改建。而基础部分，初步判定破坏不严重。根据以上情况，制定四个方案进行比选。

3.1 方案一：全桥加固

优点：结构保持原有桥型，仅需针对需加固部位进行加固设计和施工。

缺点：施工复杂、技术要求高。因原始图纸缺失，加固验算难度大，加固后承载力无法保证，需进一步评估。同时由于结构破坏严重，加固成本较高，几乎上部结构所有部位均需要大范围加固。但加固后的桥梁荷载也仅能满足现有的汽-15，桥梁需要设置限载标志，对车辆通行存在安全隐患。

3.2 方案二：拆除拱肋以上部分重建

优点：充分利用原有拱结构的受力，新建部分有条件的保证了上部结构的承载力。

缺点：拱肋加固后承载力无法得到保障，且需要对拱肋进行加固，加固设计和施工技术难度高。

3.3 方案三：拆除基础以上部分重建

优点：上部结构拱肋拆除后采用预应力砼空心板梁，可直接工厂预制后吊装，施工技术成熟，上部结构承载力能满足要求，利用原桩基，节约投资。

缺点：基础承载力无法保障，需要重新检测桩基承载力是否满足上部结构采用板梁以后的使用要求，若不满足，桩基需要一并拆除重建。

3.4 方案四：全部拆除重建

优点：按照现有规范城-B荷载进行设计，桥梁整体承载能力有保障，适应当前交通要求，安全可靠，使用年限长，避免短期内再次改造。

缺点：上、下部结构需全部重建，造价略高。

各方案的基本参数对比如表2，表中造价按照经验为粗略估计，仅作参考。

根据以上对比可知，如果原有基础能达到承载力要求，拆除基础以上部分，利用原基础进行重建是最优方案。但该方案前提为基础承载力的检测。

如果经过检测发现，原有基础承载力达不到承载力要求，则上部结构加固方案也不可行，只能全部拆除重建或对基础进行加固。对基础进行加固后，基础承载力需要进一步评估。其造价与新建相差不大，且全部重建，承载力可达到设计要求。

根据检测结果，基础沉降以及结构性损坏不严重，初步判定该基础承载力满足现行要求。建议在基础承载力评估满足要求的情况下，采用方案三：拆除基础以上重建。如果基础承载力不满足要求，建议采用方案四：全部拆除重建。

表2 改造方案指标对比

4 结束语

尽管双曲拱桥对我国交通发展起到了积极的促进作用，但双曲拱桥设计标准较低、设计和建造时理论研究不完善，导致其本身存在结构特征缺陷，不可避免的出现了各种病害，必须对其进行改造。通过对三跨双曲拱桥的病害检测结果分类统计分析显示，几乎所有部位均发现病害。根据双曲拱桥病害特征，文章对其承载力影响进行评价，筛选了影响较大的病害类型，并进行了原因归纳和分析。针对该桥的病害情况，提出了该桥的关键改造评价指标，进行了四种改造方案的评价指标对比，建议针对该桥拆除基础以上部分进行上部结构重建，并选用连续梁结构。

[1] 谌润水，周锦中.双曲拱桥加固改造成套技术[M].北京：人民交通出版社，2009

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