小跨徑石拱橋的加固改造實例淺析*

吳智慧，楊德歡，王 斌，劉俊斌，黃小娟

(1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，安徽 合肥 230051;2.長沙大學(xué)土木工程系，湖南 長沙 410003)

圬工拱橋具有取材容易、節(jié)省鋼材與水泥、承載能力大、技術(shù)容易掌握、構(gòu)造簡單、耐久性好、養(yǎng)護(hù)費用少等優(yōu)點［1］，在我國20世紀(jì)50年代～80年代得到了廣泛的應(yīng)用.據(jù)統(tǒng)計［2］，目前我國拱橋數(shù)量居世界第一，而且拱橋在全國所有橋梁中約占60%，西部尤其西南地區(qū)占90%以上.由于當(dāng)時的設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較低，加上材料的風(fēng)化和自然環(huán)境的影響，很多舊石拱橋存在承載能力不足的現(xiàn)象，不能滿足日益增長的交通量和超重、超限車輛的通行，維修加固已是迫在眉睫.

當(dāng)前，祝小龍［3］等用加固減載法對跨徑70m的懸鏈線空腹式石拱橋進(jìn)行加固處理;高榮雄［4］等采用拱背加固減載法成功改造了跨徑40m，22.0+25.60+7×22.10m的9孔不等跨雙曲連拱橋;林力成［5］等對跨徑20m的實腹式拱橋進(jìn)行了加固處理.由上可知，人們對中等跨徑的石拱橋的加固處理較多，而對10～15m及以下小跨徑石拱橋的加固處理研究較少.

1 加固機(jī)理

石拱橋上部結(jié)構(gòu)常見的病害有:(1)主拱軸線型變化;(2)主腹拱圈順、橫或斜橋向出現(xiàn)裂縫;(3)石料分化脫落，拱圈不均勻凹凸變形;(4)側(cè)墻外鼓、開裂、滲水等.上述病害嚴(yán)重影響了拱橋的承載力，補(bǔ)救辦法是對主要承重構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)或加寬，改善結(jié)構(gòu)性能，恢復(fù)和提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全度，以延長石拱橋的使用壽命，使整座石拱橋滿足規(guī)定的使用功能需求，并能適應(yīng)未來交通運輸發(fā)展.

我國公路圬工橋涵結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，應(yīng)采用下列表達(dá)式［6］

式中γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對應(yīng)于文獻(xiàn)［6］按相應(yīng)安全等級分別取用 1.1，1.0，0.9;S0—結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)組合設(shè)計值，按文獻(xiàn)［7］的規(guī)定計算;R0(*)—構(gòu)件承載力設(shè)計值函數(shù);fd—材料強(qiáng)度設(shè)計值;ad—幾何參數(shù)設(shè)計值，可采用幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值ak，即設(shè)計文件規(guī)定值.

文獻(xiàn)［7］指出:石拱橋出現(xiàn)開裂等病害后，易知R0(fd，ad)是減小的，設(shè)其減小到 R1(fd，ad).通過對這些病害石拱橋進(jìn)行維修加固，即可得到γ0S1≤R2(fd，ad)，這里 S0≤S1，即提高設(shè)計指標(biāo);R0(fd，ad)≤ R2(fd，ad)，即提高承載能力.文獻(xiàn)［7］首次提出如下3條圬工拱橋加固改造的技術(shù)指標(biāo).為便于分析，對于小跨徑石拱橋取γ0=1.0.

技術(shù)指標(biāo)1:R1＜S0=S1≤R2≤R0，即保持橋梁原設(shè)計等級，僅通過提高病害橋梁的承載力使其達(dá)到原有水平，滿足當(dāng)前的設(shè)計、加固改造要求;

技術(shù)指標(biāo)2:R1＜S0＜S1＜R0＜R2或R1＜S0＜S1＜R2＜R0，即提高橋梁的設(shè)計等級的同時提高病害橋梁的承載力，使其滿足當(dāng)前的設(shè)計、加固改造要求;

技術(shù)指標(biāo)3:R1＜S0＜R0＜R2＜S1，即提高橋梁的設(shè)計等級，提高病害橋梁的承載能力至其極限值也達(dá)不到當(dāng)前的設(shè)計要求，此時病害橋梁需拆除重建.

石拱橋由建筑材料決定了最理想的是全截面軸心受壓，在設(shè)計中多采用懸鏈線作為設(shè)計拱軸線.但由于拱上建筑的影響，壓力線與拱軸線偏離，拱橋?qū)嶋H多處于偏心受壓狀態(tài).主拱圈在恒載作用下的應(yīng)力由軸力和彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力組合而成.

偏心受壓結(jié)構(gòu)的上下緣的應(yīng)力值為:

主拱圈截面尺寸增大后，假定主拱圈和加固層協(xié)調(diào)變形，混凝土加固層高度不變按彈模比例換算成漿砌塊石A'和W':

A'—加固后等效面積;W'—加固后等效截面抗彎模量.

因A'＞A，W'＞W(wǎng)，所以σ'比σ將減小，即加固增大主拱圈截面其極限承載力明顯提高.

其次，利用結(jié)構(gòu)在三向受壓情況下其抗壓強(qiáng)度將提高的原理，采用鋼筋混凝土套箍環(huán)狀加固橋梁，原主拱圈處于三向受壓狀態(tài)其極限承載力提高.

2 石拱橋常用加固方法

在文獻(xiàn)［2，3，8－14］中介紹了常用的拱橋加固方法.

調(diào)整荷載集度法:通過采用不同容重的拱上填料，改變拱上填料厚度等方法來調(diào)整偏離附加內(nèi)力的大小，即對拱軸線和壓力線進(jìn)行調(diào)整，使兩者盡量吻合，從而改善主拱圈的不良受力狀況［2］.

套拱法:適宜跨徑10m以下且滿足基礎(chǔ)承載力的石拱橋加固.先將原拱圈的裂縫進(jìn)行處理，然后對原拱圈灌漿，整體性加強(qiáng)，再采用灌漿法處理基礎(chǔ).基礎(chǔ)處理完后在原拱圈下澆筑一層鋼筋混凝土套拱，套拱施工完后再在其與原拱圈之間灌漿，及增大拱圈厚度［8］.

加固減載法:通過(1)降低橋面標(biāo)高，減少或完全取消拱上填料，換填輕質(zhì)材料;(2)將實腹式拱橋改為空腹式拱橋;(3)做成鋼筋混凝土剛架或桁架式拱上建筑用鋼筋混凝土T梁、板梁等輕質(zhì)橋面系取代笨重的實腹拱體系［3］.

鋼筋砼套箍封閉主拱圈加固技術(shù):在原主拱圈拱腹外增設(shè)鋼筋混凝土拱板，通過灌漿形成復(fù)合主拱圈，再通過復(fù)合主拱圈的協(xié)調(diào)變形和共同作用來承擔(dān)后期荷載，增大主拱圈強(qiáng)度和剛度，提高橋梁承載能力［9］.

加固加寬法:在拱圈下增設(shè)副拱圈同時加寬原橋，加寬的拱圈結(jié)構(gòu)部分和原結(jié)構(gòu)連成一個整體，從而提高拱橋的承載能力.對原橋病害用錨桿進(jìn)行處治，加固、加寬同時進(jìn)行施工，采取從橋臺下面的基礎(chǔ)到橋臺，到拱圈都整體加固襯砌鋼筋混凝土，并在內(nèi)側(cè)對橋臺基礎(chǔ)予以加固，加固部分和加寬的拱圈連成—個整體，受力分布均勻，提高了橋梁的整體承載力［10］.

粘貼加固法:指在拱底或拱背采用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板、碳纖維布、玻璃纖維布等高強(qiáng)材料，使之與結(jié)構(gòu)形成整體，增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，提高橋梁承載力［11］.

裂縫灌漿技術(shù):對拱圈裂縫和橋臺石砌體裂縫利用空氣壓力將環(huán)氧漿液灌注到裂縫深處的一種修補(bǔ)加固方法，封閉裂縫可以達(dá)到提高橋梁混凝土結(jié)構(gòu)整體性、延長耐久性和提高抗?jié)B性的目的.灌漿完成后在拱圈底部通長粘貼碳纖維布，并粘貼碳纖維布壓條增強(qiáng)錨固.碳纖維布具有很好的抗拉性能，在裂縫開展不大的情況下，在拱圈底部粘貼碳纖維布可有效提高其抗拉性能，防止拱圈進(jìn)一步開裂［12］.

除了上述針對橋梁本身的加固改造方法外，其他還有頂推法加固技術(shù)［13］、體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)［14］等.

從上述常見的加固方法可知，絕大多數(shù)的加固方法都是按照式(1)中所述改變拱橋各構(gòu)件的重度和高度來提高病害拱橋的承載力，下面幾個案例也是證實了這一點，曾家橋采用了加固加寬法和裂縫灌漿技術(shù)加固法;木家橋采用了加固加寬法、加固減載法和調(diào)整荷載集度法.

3 工程實例

3.1 工程概況

本文以國道G207線安化段公路改建工程為依托，該公路修建年限早，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低，一部分橋梁則采用加固方案，布設(shè)基本服從路線，選取路線中幾個典型的小跨徑石拱橋為例，介紹加固改建方案和措施.另一部分橋梁橋下凈空或平面線形不滿足要求，運營現(xiàn)狀差，采取拆除重建方案.

3.2 曾家橋

2×6.5m的實腹式石拱橋，橋面寬度6.7m，下部為U型橋臺，實體橋墩，擴(kuò)大基礎(chǔ).根據(jù)檢測資料，結(jié)構(gòu)基本完好，承載力能滿足二級公路設(shè)計要求.屬于文獻(xiàn)［7］中加固改造技術(shù)指標(biāo)1的情況.

加寬加固主要措施:原橋部分:(1)開挖橋面，進(jìn)行18cm厚C40防水砼橋面鋪裝，同時在其下增設(shè)10cm厚C30砼調(diào)平層，要求橋面標(biāo)高不得低于原橋面標(biāo)高;(2)開挖后，對局部松散的拱腔填料進(jìn)行灌漿處理，對老橋砂漿脫落部分進(jìn)行修補(bǔ)，裂縫處進(jìn)行灌漿處理;(3)施工前在老橋拱圈頂、拱腳及1/4拱處設(shè)置觀測點，施工過程中發(fā)現(xiàn)異常立即停止，處理后才能繼續(xù)進(jìn)行，施工時嚴(yán)禁車輛通行.

加寬部分:(1)上部采用2×8m鋼筋砼現(xiàn)澆整體空心板，下部采用U型橋臺、柱式橋墩，擴(kuò)大基礎(chǔ);(2)在原拱橋上游側(cè)加寬4.42m，在加寬部分墩臺間設(shè)置2cm縱向沉降縫，橋面連成整體，沉降縫增設(shè)加強(qiáng)鋼筋;(3)橋面橫坡通過墩、臺帽、墊石和橋面鋪裝層形成;(4)墩臺基礎(chǔ)奠基于巖層上，要求墩臺基礎(chǔ)不得同時施工，基礎(chǔ)開挖時，在接近老橋基礎(chǔ)1m以上時盡量采用跳槽式施工，距離老橋基礎(chǔ)1.5m左右暫不開挖，待外側(cè)基礎(chǔ)開挖到位并施工完后，再進(jìn)行開挖到位，并立即組織施工，如發(fā)現(xiàn)老橋基礎(chǔ)有塌空現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行注漿及其他加固處理.本橋的加固改造方案如圖1所示.

圖1 曾家橋加固改造方案(單位:cm)

根據(jù)施工完成后一段時間的觀察，新加固的部分與原結(jié)構(gòu)連接牢固，受力分布均勻，能夠形成為—個較好的整體.沉降縫增設(shè)加強(qiáng)鋼筋有效解決了不同結(jié)構(gòu)變形和沉降不統(tǒng)一的情況.材料的加強(qiáng)處理使得拱圈沒有發(fā)生進(jìn)一步開裂，有效地提高了承載力，延長了該橋的使用壽命.

3.3 木家橋

實腹式圓弧石拱橋，凈跨徑為10.5m，橋?qū)?.6m，主拱圈厚40cm，矢跨比 f/L0=1/7，下部為 U型橋臺，擴(kuò)大基礎(chǔ).根據(jù)外業(yè)調(diào)查情況對老橋部分橋面板及防撞墻進(jìn)行改造，改造方案在原橋下游側(cè)加寬2.99m，加寬部分和原橋之間設(shè)2cm的縱向沉降縫.改造后全橋?qū)?0.52m.屬于文獻(xiàn)［7］中加固改造技術(shù)指標(biāo)2的情況.

加寬加固的主要措施:(1)拆除原橋防撞墻，挖除原橋面，并對主拱圈采用環(huán)氧膠泥止縫，橋面鋪裝采用18cm厚C40防水砼;(2)加寬部分上部采用1×11.90m現(xiàn)澆鋼筋砼空心板，橋面橫坡由橋面鋪裝調(diào)整，橋面標(biāo)高由拱頂填料厚度和橋面鋪裝共同調(diào)整;下部采用U型橋臺，擴(kuò)大基礎(chǔ);(3)在上游側(cè)橋臺處設(shè)置一道GQF－C(40)型伸縮縫，下游側(cè)橋臺處設(shè)置橋面連續(xù);(4)橋臺基礎(chǔ)施工時，按局部小規(guī)模開挖的原則以防止橋臺坍塌，基坑開挖到位后及時澆筑砼并回填至地面標(biāo)高;新老基礎(chǔ)間設(shè)沉降縫，如施工過程中發(fā)現(xiàn)老橋基礎(chǔ)有垮空或松散現(xiàn)象應(yīng)及時進(jìn)行注漿處理.本橋的加固改造方案如圖2所示.

該橋經(jīng)過加固以后改善主拱圈的不良受力狀況，整體承載力得到了很大的提高，交通量也有提升.這種加固方案，即保持了原橋的美觀性，又有效地利用了新的建筑材料，達(dá)到了預(yù)期的目的，節(jié)約了大筆的資金，經(jīng)濟(jì)效益明顯.

圖2 木家橋加固改造方案(單位:cm)

3.4 其他

山溪鋪橋、團(tuán)山橋、雙江橋、樹咀橋等屬于文獻(xiàn)［7］中加固改造技術(shù)指標(biāo)3的情況.

山溪鋪橋為1×6m的石拱橋，重力式臺擴(kuò)大基礎(chǔ)，主拱圈厚0.3m，主拱圈混凝土脫落，橋臺開裂，基礎(chǔ)有沖刷現(xiàn)象，泄洪不能滿足設(shè)計要求，拆除重建.

團(tuán)山橋為1×6m的石拱橋，重力式臺擴(kuò)大基礎(chǔ)，主拱圈厚0.4m，拱圈混凝土脫落嚴(yán)重，橋臺有裂縫.老橋兩側(cè)較難展線，平面無法利用老橋，拆除重建.

雙江橋為1×6.9m的石拱橋，重力式臺擴(kuò)大基礎(chǔ)，主拱圈厚0.4m，拱圈砼脫落，且拱頂有下沉現(xiàn)象，拆除重建.

樹咀橋為1×8.5m的石拱橋，重力式臺擴(kuò)大基礎(chǔ)，主拱圈厚0.5m，主拱圈上裂縫較多.本橋處于曲線段內(nèi)，老橋外側(cè)陡坎，平面無法利用，縱斷面也無法利用，拆除重建.

4 結(jié)束語

(1)本文結(jié)合實例淺析了圬工拱橋加固改造機(jī)理，指出改變拱橋各構(gòu)件的重度和高度是提高病害拱橋的承載力的有效措施;

(2)本文闡述了石拱橋常見的加固改造措施，并用于實際中小跨徑石拱橋的加固改造，得到了較好的結(jié)果，對中等跨徑或大跨徑石拱橋的加固改造具有指導(dǎo)意義;

(3)對于石拱橋的加固改造利用，需綜合分析技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素，再選取合適的加固改造方案.石拱橋加固改造往往不是一種加固技術(shù)的應(yīng)用，而是多種加固技術(shù)相互配合使用.

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