[摘要] 本文以双曲拱桥为工程背景，首先介绍了双曲拱桥的常见病害，从结构特征的角度分析了常见病害的机理，并给出了常用加固方法。然后以该桥的加固设计为例，对套箍法加固双曲拱桥的力学原理进行了阐述，采用有限元软件Midas/Civil从极限承载能力、结构刚度以及结构动力性能三个方面分析了加固后结构的力学性能。分析结果表明：套箍法能够有效提升双曲拱桥的承载能力及拱肋的整体性，拱肋挠度在横向分布更加均匀，且结构的整体刚度亦得到了提升。
[关键词] 双曲拱桥、桥梁加固、套箍加固法、承载能力、结构刚度
1 引言
双曲拱桥是20世纪60年代创造的一种轻型拱式桥梁，将传统圬工拱桥的修建方法与钢筋混凝土桥梁可以分部件预制安装的施工工艺结合起来，具有用料省、造价低、施工简便、建造速度快等特点。由于大量的双曲拱桥修建于上世纪七八十年代，设计水平、荷载标准及施工工艺均偏低，加上结构本身存在钢材用量较少，横向联结能力及结构整体性差等因素，在交通量不断增长以及环境作用下，大部分的双曲拱桥都出现了不同程度的病害，无法继续满足通行需求，需进行维修加固。本文以一座双曲拱桥为例，采用套箍法对该桥进行加固，并对加固后的结构静动力性能进行对比分析，研究该方法对加固后结构力学性能的影响。
2 双曲拱桥常见病害及加固方法
2.1双曲拱桥常见病害
由于双曲拱桥将主拱圈分为了拱肋、拱波、拱板三个部分，方便施工的同时削弱了主要受力构件的整体性，导致主拱圈及横向联系容易发生裂缝等结构性病害。根据裂缝特征可分为环向缝、径向缝、波顶纵缝。
环向缝产生于拱肋与拱波的结合面上，平行于拱轴线，按照裂缝产生的原因又可分为法向拉力环向缝和剪力环向缝两种。
径向缝是垂直于拱轴线的裂缝，按裂缝发生位置可分为拱肋径向缝及拱背径向缝。拱肋径向缝产生于拱顶附近正弯矩较大的区段，产生的原因往往是由于桥台发生了过大的水平位移或者承受的过大的荷载，导致拱顶附近正弯矩过大。
波顶纵缝是出现在拱波顶部沿着拱轴线方向的裂缝，大多出现在拱顶附近。横向联系不足是产生波顶纵缝的重要原因。
2.2. 双曲拱桥加固方法
双曲拱桥常规加固方法主要有以下几种：
1、增大截面法：增大截面法通过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，属于一种被动加固方法，此法通常被称为拱背上缘现浇混凝土加固法。
2、外贴补强材料法：主要通过在主拱肋受拉区底缘或受力薄弱部位粘贴钢板、钢筋或碳纤维材料，以提高主拱肋的抗拉能力和承载能力。
3、增强横向联系法：双曲拱桥主拱圈属于组合结构，各构件之间能否共同工作将直接影响主拱圈的承载能力，因此可以通过增设横隔板或横系梁、加大原横系梁截面等方法对双曲拱桥进行加固。
4、改变截面形式法：双曲拱桥主拱圈由拱波、拱板和拱肋组成，通过在主拱肋下缘增设钢筋混凝土底板，将原有的开口截面改造为闭口单箱多室截面，从而大幅度的提高各个构件共同承担荷载的性能，桥梁整体受力性能得到大幅提高。
3 工程应用
以某3×40m空腹式悬链线钢筋混凝土双曲拱桥为例，净矢跨比为f0/L0=1/8，拱轴系数m=3.5，主拱圈宽度为10.05m，由7片C25钢筋混凝土拱肋和6个拱波组成，每片拱肋间设有10根15×25cm钢筋混凝土横系杆，主拱圈厚度为1.15m；主拱上两半拱各设3孔M7.5砂浆砌C15混凝土预制块石腹拱，腹拱净跨径L0=3.0m，拱圈厚度为0.30m。
3.1 结构病害情况
根据现场检测，全桥拱肋、拱波等主拱圈出现多处裂缝，其中主拱肋裂缝宽度0.1mm～0.3mm之间，而拱波裂缝主要为拱波顶部纵桥向裂缝，裂缝宽度在0.1mm～1.5mm。其中典型的裂缝有：第1跨第4个拱波在跨中位置处出现长约10m、宽0.6mm的裂缝；第2跨第2个拱波从拱脚起出现约长15m、宽0.8mm的裂缝，第4个拱波从拱脚起出现约长17m、宽0.6mm的裂缝；第3跨第4个拱波从拱脚起出现约长32m、宽1.5mm的裂缝。
按照荷载对原桥进行分析后，原桥主拱圈拱脚截面承载能力不足，不能满足规范要求，因此采用加固措施提高原桥的承载能力。
3.2 加固方案
根据对原桥分析评估的结果，具体实施加固的思路为：在不改变原有结构受力体系的情况下，首先对主拱及腹拱主要受力体系中已产生的损伤与缺陷进行维修与补强，增强结构受力的整体性，在此基础上采取套箍混凝土的加固方法提高桥梁损伤构件的承载能力。
具体加固方法为：在空腹段的主拱肋采用套箍混凝土进行加固补强，其中第一腹拱段拱波空心区域填实，同时在主拱肋下缘加厚20cm，主拱肋两侧加厚15cm。为了保证施工质量，确保新老结构共同作用，加固混凝土均采用自密实微膨胀混凝土，并在新老混凝土结合面上植筋以增加新老结构的粘结。加固后的主拱圈截面见图1所示。
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图1 套箍法加固示意
3.2 加固后力学性能分析
分析采用MIDAS/Civil软件进行，全桥结构有限元模型见图4所示，共划分2806个单元，3101个节点，其中梁单元502个，板单元2304个，拱波采用板单元模拟，主拱肋及腹拱采用梁单元模拟，结构分析时按照实际施工阶段考虑了结构二次受力的影响。
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图2 有限元模型图（仅示出单跨结构）
1、承载能力分析结果
分别取拱脚截面、L/8截面、L/4截面、3L/8截面和拱顶截面进行中肋承载能力验算，验算结果见表1所示。
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上述计算表明，经过套箍加固后的主拱圈能够满足加固设计对承载能力的要求。
2、结构刚度分析结果
活载作用下结构变形见图3所示。
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图4 活载作用下边中肋挠度比值对比
从图中可以明显看出，加固后主拱圈在横桥向的挠度分配更加均匀，说明采用套箍法加固双曲拱桥主拱圈可以有效提高结构的整体性，改善结构受力性能。
4 结论
1、采用套箍法加固双曲拱桥能够有效提升结构的极限承载能力，加固后拱脚截面安全系数最小值为1.21，满足规范要求。
2、套箍加固法能够较好的提升结构的整体工作性能，主拱圈在横桥向的挠度分配更加均匀。
3、加固后结构的基频由4.79Hz增加至5.11Hz，表明套箍加固法能够有效提升结构的整体刚度。