[科普中國]-腹拱

簡介

腹拱的跨徑一般選用2.5~5.5米，也不宜大于主拱圈的1/8~1/15，其比值隨著主拱圈的跨徑增大而減小。腹拱的拱圈可采用板拱，雙曲拱，微彎板和扁殼等形式。

雙曲拱橋腹拱裂縫成因及處理措施對雙曲拱橋腹拱裂縫對拱橋結(jié)構(gòu)整體性與穩(wěn)固性的破壞，從雙曲拱橋腹拱裂縫的類型區(qū)分出發(fā)，從錨噴混凝土加固法、粘貼鋼板加固法及粘貼纖維材料加固法三方面對于拱橋腹拱裂縫病害處理、增強橋梁承載能力做了初步的思考。1

雙曲拱橋腹拱裂縫的類型依據(jù)危舊雙曲拱橋的數(shù)據(jù)調(diào)查，超負荷運營的空腹式雙曲拱橋腹拱大多存在有不同程度裂縫病害，主要包含三類：腹拱圈裂縫、蓋梁和底梁的裂縫、立柱或橫墻的規(guī)律性裂縫。1

腹拱圈裂縫

可分為腹拱橫向裂縫與環(huán)向裂縫，其中前者較為嚴重，對于拱橋結(jié)構(gòu)的影響程度也更深。其中，橫向裂縫成因主要是：雙曲拱橋在腹拱多采用預制混凝土構(gòu)件，多孔構(gòu)成連拱，簡易鉸無法滿足主拱變形需要。環(huán)向裂縫則多是由溫度變化、混凝土收縮等造成的，一方面，主拱圈橫向的不均勻變形，造成腹拱墩臺位移變形、不均勻下沉，進而引發(fā)腹拱環(huán)向開裂，大致等同于污工拱橋存在的縱向開裂病害。另一方面，傳統(tǒng)雙曲拱橋勾縫水泥砂漿標號偏低，腹拱圈預制分塊過多，拱橋存在有先天整體性差的缺陷。1

蓋梁和底梁裂縫

通過雙曲拱橋病害的相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)分析顯示，立柱蓋梁和底梁中的裂縫病害同樣較為突出。這主要是因為結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系不足，尤其是在主拱圈橫向出現(xiàn)不均勻變形的狀況下，各立柱的不均勻沉降，會直接或間接地誘發(fā)蓋梁裂縫病害。立柱底梁也是如此，彈性地基連續(xù)梁長期處于豎向集中力的受力狀態(tài)，若底梁上緣配筋太少，甚或未配筋，裂縫的產(chǎn)生也是毫無疑問的了。1

立柱或橫墻的規(guī)律性裂縫

主要是在混凝土收縮和徐變、活載以及溫度變化作用環(huán)境中，主拱圈下?lián)希瑢е铝⒅驒M墻兩端拉裂。相對來說，短橫墻與立柱的抗推剛度較高，在主拱圈下?lián)系挠绊懴拢瑑啥肆芽p較大。若出現(xiàn)各排立柱或橫墻抗推剛度協(xié)調(diào)性低、相差較遠時，就會更近一步地加重裂縫病害的發(fā)展。1

雙曲拱橋腹拱裂縫的處理與防范措施雙曲拱橋裂縫病害的存在很大程度上對結(jié)構(gòu)整體性和耐久性、剛度及承載能力起到了嚴重的破壞作用。因此，處理拱橋各部位的裂縫病害，關(guān)鍵在于保障拱橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、增強橋梁承載能力。其中，關(guān)于處置雙曲拱橋腹拱裂縫、穩(wěn)固拱橋結(jié)構(gòu)主要包括三種方法：1

錨噴混凝土加固法

由于墩臺地基沉降，長期超載營運，或主拱圈承重構(gòu)件截面較窄等引起腹拱開裂、變形的，可通過錨噴混凝土加固法聯(lián)結(jié)成新的整體受力結(jié)構(gòu)，在恢復原結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)性的基礎(chǔ)上，進一步根治拱橋結(jié)構(gòu)因裂縫誘發(fā)的局部應(yīng)力集中病害，使之能繼續(xù)運營并承受更大的外荷載。1

粘貼鋼板加固法

貼鋼加固法從加固理論上來說，就是通過增強主拱圈強度實現(xiàn)橋梁加固的目標。為有效降低或緩解腹拱裂縫對于拱橋整體結(jié)構(gòu)的破壞，貼鋼加固法通過使鋼板、被加固構(gòu)件間實現(xiàn)整體受力，能很好地增強橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎能力與抗剪切強度，達到修復雙曲拱橋建設(shè)功能的預期目標。1

粘貼纖維材料加固法

相較于其它加固手段，粘貼纖維材料加固法能有效擴展恒載及斷面尺寸，封閉腹拱圈內(nèi)的混凝土裂縫，可適應(yīng)不同構(gòu)件形狀，在不致構(gòu)成對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新?lián)p傷的前提下，適應(yīng)不同構(gòu)件形狀，具有成型、施工簡便和耐腐蝕的優(yōu)點。1

工程實踐圬工式腹拱的砌石風化、砌縫開裂、漏水是公路拱橋的一種常見病害，以某雙曲拱橋為例，介紹了在腹拱實施噴射水性環(huán)氧砂漿的修復與加固措施，包括噴射漿材組分的選擇，配合比及施工工藝要點。2

修補工程所采用的有機高分子聚合物（環(huán)氧樹脂）系一種互穿網(wǎng)絡(luò)高分子材料，擁有不同高分子的互補和協(xié)同效應(yīng)，體現(xiàn)出高分子合金的性能，因此由它制備的聚合物砂漿或混凝土具有優(yōu)越的性能，常用于混凝土路面的快速修復，補強加固工程。水性環(huán)氧樹脂聚合物水泥砂漿具有以下主要特點：2

（1）高強早強：抗壓、粘結(jié)等物理力學性能遠優(yōu)于普通水泥砂漿。

（2）自流性：可填充全部空隙，滿足結(jié)構(gòu)二次灌漿的要求。

（3）無收縮：保證噴層與基面之間緊密接觸。

（4）水乳環(huán)氧基：環(huán)氧樹脂與高品質(zhì)硬化劑共同作用，耐久性強，且無毒、易清洗，符合綠色環(huán)保要求。

（5）抗蠕變性：在惡劣物理工況下長期使用而無塑性變形，保證腹拱結(jié)構(gòu)的耐久性。2

材料選擇及材料性能1 材料選擇

水性環(huán)氧樹脂聚合物水泥砂漿的施工與水泥砂漿基本相同，可以攤鋪也可噴涂，與普通水泥砂漿相比具有許多優(yōu)點，其抗裂性較普通水泥砂漿好得多，對老混凝土（或圬工結(jié)構(gòu)）的粘結(jié)強度好，抗水、抗鹽分的滲透以及耐凍融的性能很好，是一種性能較好的防腐蝕和修補加固材料。2

2 聚合物（水性環(huán)氧樹脂）水泥砂漿作用原理

聚合物（水性環(huán)氧樹脂）水泥砂漿是一種新型的結(jié)構(gòu)修補材料。它是采用水性環(huán)氧和特種水泥等配制而成的產(chǎn)品，具有粘結(jié)力強、抗?jié)B透、耐磨性好、韌性高以及耐候性佳等特點。由于水性環(huán)氧樹脂及其它活性成分的摻入，改善了材料的物理、力學及耐久性能。

3 主要原材料及選用

本材料的主要組分包括水性環(huán)氧樹脂、細骨料、特種水泥、密實劑、緩凝劑、水等。2

工藝實踐在腹拱噴射水性環(huán)氧砂漿的工序包括基層處理、砂漿配制、砂漿配制、砂漿打底、噴射施工、抹面、養(yǎng)護等，各工序技術(shù)要點如下：2

1 基層處理

2 砂漿配制

按設(shè)計配合比進行人工配制聚合物水泥砂漿的配制，拌勻后的砂漿不宜反復攪拌和中途加水。

3 砂漿打底

聚合物水泥砂漿噴射前，應(yīng)采用聚合物水泥砂漿噴射一道薄層，力求薄而均勻，隨即進行噴射施工。

4 分段施工和隔段施工

采用擠壓式砂漿泵噴涂施工至設(shè)計厚度，一次施工面積不宜過大，操作速度要快。大面積施工時，應(yīng)分段施工或隔段施工。間隔距離可根據(jù)現(xiàn)場施工條件而定，施工縫寬度為 0。8～1。4cm。施工縫或中間的地段應(yīng)在不少于 24h 后才補平。留縫時應(yīng)與底層縫隙錯開。2

5 抹面

聚合物水泥的施工可用鋼抹刀進行，將濕砂漿在分段上攤平并用抹刀壓實。抹面后的聚合物水泥砂漿不宜反復抹壓，尤其在通風較好的環(huán)境中更不能反復抹壓。聚合物水泥砂漿施工完后，不能像普通水泥砂漿那樣等若干時間后（初凝后）再用抹刀壓光一次，因為反復抹壓會使表面形成的膠膜斷裂而產(chǎn)生龜裂。

6 養(yǎng)護

聚合物水泥砂漿噴射施工完畢后，必須濕養(yǎng)護 48~72 小時方可開放交通。2

中小跨徑空腹式拱橋腹拱病害評價方法公路橋梁技術(shù)狀況評定標準沒有對空腹式拱橋腹拱、立柱出現(xiàn)的病害進行評價，在一定程度上提高了空腹式拱橋的總體技術(shù)狀況評定分數(shù)及技術(shù)狀況等級，導致在橋梁維修加固時忽略對腹拱病害進行處理，達不到對橋梁進行維修加固的目的。為得到更為合理的總體技術(shù)狀況評定分數(shù)及確定技術(shù)狀況等級，從自重應(yīng)力、脈沖激勵、車輛荷載等方面對比腹拱與主拱在應(yīng)力的計算結(jié)果，得到拱橋腹拱、立柱病害應(yīng)扣除的比較合理的分數(shù)，并通過在實例上進行應(yīng)用研究，得到更為準確的橋梁總體技術(shù)狀況評定分數(shù)。3

腹拱對于整個上部結(jié)構(gòu)受力起著非常重要的作用，一旦其在橋 梁 運 營 過 程 中 發(fā) 生 破壞，會直接影響整個拱橋的受力特征。3

分析過程荷載的施加有限元模型的分析計算主要通過不同的工況的模擬完成，工況 1： 僅考慮空腹式拱橋在自重應(yīng)力作用的反應(yīng)，分析兩側(cè)腹拱及主拱的響應(yīng)； 工況 2：考慮車輛靜荷載、自重應(yīng)力荷載共同作用下的腹拱及主拱的響應(yīng)； 工況 3： 考慮車輛脈沖荷載、自重應(yīng)力荷載共同作用下的腹拱及主拱的響應(yīng)； 工況 4： 根據(jù)公路橋梁荷載規(guī)范分別考慮縱向、橫向以及縱向、橫向地震共同作用下的腹拱及主拱的響應(yīng)。3

自重應(yīng)力影響分析由于拱橋在自重作用下，拱橋兩側(cè)結(jié)構(gòu)反應(yīng)相互對稱，所以按軸對稱問題研究空腹式拱橋在自重應(yīng)力作用下的響應(yīng)和腹拱圈、主拱圈的應(yīng)力以及立柱柱底、主拱腳的應(yīng)力。3

標準軸靜載的影響分析橋梁為二級干線公路，重型車輛較多，靜車輛荷載作用下，車道荷載取公路 － II 級標準，集中荷載取 PK = 270 kN，均布荷載取 qK = 7.875 kN /m，車輛荷載按標準指標選取，取為 550 kN。3

標準軸動載 脈沖激勵反應(yīng)分析半周正弦脈沖力 是介于三角形與矩形波荷載之間的一種脈沖反應(yīng)分析方法，其更符合實際工程應(yīng)用。

公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范，橋梁設(shè)計采用公路 － II 級車道荷載，考慮車輛荷載拱橋結(jié)構(gòu)的半周正弦脈沖力作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。3

空腹式拱橋在自重應(yīng)力、標準軸靜載、標準軸動載、地震作用各工況下腹拱、主拱所受的應(yīng)力及其比值，探討得出空腹式拱橋腹拱出現(xiàn)的滲水、風化等病害應(yīng)扣除一定的分值，否則會造成對拱橋的病害評估不足，影響空腹式拱橋維修加固質(zhì)量，使空腹式拱橋維修加固后達不到預期的使用效果。3