石拱橋檢測與加固技術(shù)探析

石拱橋在我國的橋梁發(fā)展史上占有重要地位，因其特有的優(yōu)點在我國得到廣泛的應(yīng)用。目前，我國較大一部分石拱橋因修建標準低、營運荷載不斷增加等諸多原因而出現(xiàn)承載力不足現(xiàn)象，因此對石拱橋的檢測與加固研究是十分必要的。本文通過對新邵龍山風電場進場道路橋梁的幾座代表性石拱橋進行檢測與加固研究分析，簡要總結(jié)了在役石拱橋的檢測與加固關(guān)鍵技術(shù)，為在役石拱橋的檢測和加固提供有效的參考和建議。

引言

從古至今，我國在世界石拱橋建筑史上取得了巨大的成就，引領(lǐng)了世界石拱橋的發(fā)展方向。交通運輸事業(yè)的發(fā)展，為我國公路橋梁建設(shè)提供了良好的發(fā)展機遇。我國在20世紀60至70年代修建了大量石拱橋，但由于當時技術(shù)的局限性，設(shè)計荷載偏低，且在橋梁運營期，頻繁承載甚至超載，再加上自然環(huán)境的侵蝕，以及交通事故等人為事故的影響，造成橋梁的損傷和局部破壞。隨著使用年限的增長，橋梁的損傷種類和損傷部位會越來越多，程度也會越來越嚴重。大量的調(diào)查研究表明，一些石拱橋都存在各種病害，有的甚至傷痕累累，存在安全隱患。當其使用價值降至安全限值時，必須通過檢測并維修加固，維持、提高其使用價值。

本文以新邵龍山風電場進場道路的一座四跨連拱橋為例，通過對該石拱橋進行靜動載試驗、結(jié)構(gòu)驗算和分析，對石拱橋的承載能力、結(jié)構(gòu)變形進行相應(yīng)的觀測分析，提出相應(yīng)的加固方案，對在役石拱橋的檢測與加固技術(shù)進行簡要的總結(jié)研究。

試驗檢測內(nèi)容

該石拱橋建于二十世紀六十年代，為石砌圬工無角實腹式石拱橋，該橋雖為跨河橋，但沒有被洪水湮沒的歷史，橋墩及基礎(chǔ)有明顯沖刷現(xiàn)象。根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTG/T H21-2011），經(jīng)計算該橋技術(shù)狀況評分Dr為62.55分，橋梁總體技術(shù)狀況評定為3類。由于受到當時施工水平的限制，該橋也使用了將近四十年，為了檢驗它是否滿足重件運輸荷載要求，對該橋進行了靜載試驗與結(jié)構(gòu)驗算。

靜載試驗

1.靜載試驗概述

靜載試驗是指將靜止荷載作用在橋梁上的指定位置， 測試所設(shè)測點的位移、應(yīng)變等試驗項目， 從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)。按試驗?zāi)康暮蜅l件的不同， 靜載試驗分為破壞性試驗和非破壞性試驗。本次靜載試驗屬于非破壞性整體試驗。

2.靜載試驗的主要內(nèi)容

該橋靜載試驗控制截面為拱頂截面和拱腳截面。實際試驗時選取邊跨的拱頂和拱腳截面按特種荷載進行加載測試。針對以上選取的典型測試截面，該橋共取2種工況進行加載試驗，各測試截面相應(yīng)的測試項目匯總于表1中。應(yīng)變測點布置于拱肋拱腳截面上緣（A、C截面）、拱肋L/2截面下緣（B截面）。采用振弦式應(yīng)變計及配套的測試儀進行應(yīng)變測試。結(jié)構(gòu)變位測試主要測量主拱圈在荷載作用下的豎向撓度。在橋面以外置一臺精密水準儀，銦鋼尺分別布置在測試跨支座、L/4截面、跨中截面、3L/4截面上，采用精密水準儀測量各工況分級加載后主拱圈的豎向撓度。

表1 測試工況及測試項目表

測試工況 測試項目 測試內(nèi)容

工況一 邊跨拱頂最大正彎矩測試 測試斷面縱向應(yīng)力、撓度及裂縫

工況二 邊跨拱腳最大負彎矩測試 測試斷面縱向應(yīng)力、撓度及裂縫

3.試驗荷載

荷載試驗是按試驗荷載內(nèi)力與特種荷載內(nèi)力等效的原則，并考慮到車輛來源、組織和調(diào)配的實際情況來確定的。本次試驗荷載采用2輛約360kN的加載車，總噸位為728.4kN，靜載效率系數(shù)在0.95～1.05之間。

由于篇幅限制，下圖僅給出各工況各控制截面的實測最大撓度與相應(yīng)的計算值及校驗系數(shù)（見表2）。

表2 撓度實測值與計算值的比較

工況 位置 實測值 計算值 ?

工況一 左跨 0.00 0.00 -

L/4 0.18 0.17 1.08

2/L 0.34 0.31 1.09

3L/4 -0.05 -0.05 0.94

右跨 0.00 0.00 -

工況二 左跨 0.00 0.00 -

L/4 0.13 0.14 0.94

L/2 -0.01 0.00 1.25

3L/4 -0.03 -0.03 0.96

右跨 0.00 0.00 -

注：撓度單位為mm；主梁豎向變位以向下為“+”，向上變位為“-”；

4.結(jié)果分析

通過對試驗結(jié)果進行分析，得出以下結(jié)論：

拱頂截面最大正彎矩的試驗荷載作用下，各測點撓度校驗系數(shù)在三級加載時達到1.46，不滿足規(guī)范要求。殘余撓度校驗系數(shù)在0.00～0.19之間說明橋梁結(jié)構(gòu)剛度尚可，回彈性能有限。根據(jù)反帝橋靜載試驗數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論：拱頂、拱腳截面橋梁強度均不滿足本次重件運輸?shù)暮奢d要求，橋梁剛度基本滿足要求。

動載分析

各跨測試頻率皆小于理論頻率，不滿足承載力要求。

結(jié)構(gòu)驗算

1.計算參數(shù)取值

主要結(jié)構(gòu)材料取值查《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D61-2005），結(jié)構(gòu)材料參數(shù)取值見表3。

表3 材料參數(shù)表

彈性模量

（MPa） 線膨脹系數(shù)α 容重（kN/m3） 抗壓強度設(shè)計值fcd

（MPa） 彎曲抗拉強度ftmd

（MPa）

拱肋 7.3×103 0.80×10-5 24 4.22 0.086

恒載分為一期恒載與二期恒載，其中一期恒載為自重；二期恒載為橋面鋪裝+人行道板。活載為機艙運輸特載。按新橋規(guī)規(guī)定考慮荷載組合工況為：1.0×恒載+1.0×特種荷載。

2.承載能力極限狀態(tài)檢算

承載能力極限狀態(tài)主要計算結(jié)果如表4所示，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG /T J21-2011）及橋梁外觀檢測結(jié)果，舊橋承載力折算系數(shù)Z1取0.9。根據(jù)表4的承載能力極限狀態(tài)偶然組合驗算結(jié)果，兩工況的拱頂和拱腳截面的承載能力均滿足重件運輸荷載要求。

表4 承載能力極限狀態(tài)組合強度驗算結(jié)果

截面 N（kN） M（kN·m） e（m） [e]（m） e ≤ [e] 抗力R（kN） 抗力是否滿足

拱頂 -2417.91 171.19 0.07 0.18 是 11403.77 是

拱腳 -2790.03 -474.32 0.17 0.18 是 5925.26 是

另外對該橋主要構(gòu)件及外觀檢測發(fā)現(xiàn)，檢測發(fā)現(xiàn)側(cè)墻有明顯的開裂、滲水等現(xiàn)象，第1跨主拱圈出現(xiàn)縱向裂縫；第2跨主拱圈局部有滲水現(xiàn)象，砌體小塊剝落；第3跨主拱圈局部有風化現(xiàn)象；第4跨主拱圈較大范圍灰縫脫落，也存在一定程度的風化現(xiàn)象，造成砌體表面局部剝落。橋面為水泥混凝土路面，多處出現(xiàn)磨光。橋面兩側(cè)護欄為鋼筋混凝土護欄，往龍山方向的左側(cè)欄桿有豎向裂縫，兩側(cè)欄桿均出現(xiàn)蜂窩麻面等，兩橋頭錐坡護墻均較完整。

3.結(jié)論

經(jīng)過對該石拱橋進行結(jié)構(gòu)驗算和動靜載分析及主要構(gòu)件及外觀檢測得出：該橋不能滿足重件運輸荷載要求，應(yīng)采取一定的維修加固措施。

加固處理

經(jīng)驗算分析，對反帝橋采取了如下加固方案：（1）反帝橋主拱圈加固方法為在原拱圈下外掛C30混凝土（厚度為25cm），以加大拱圈面積和慣性矩，從而提高結(jié)構(gòu)承載能力的目的。為保證新加固拱圈和原拱圈更好的工作，在原拱圈中植入鋼筋，加強兩者之間的連接。（2）依照黑坑橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要在原拱圈之下現(xiàn)澆C30混凝土，為保證加固后的拱圈將荷載傳遞給拱座及基礎(chǔ)，現(xiàn)將原拱座和基礎(chǔ)加固。（3）拱座加固分為在原拱座（橋臺）河流側(cè)面植筋→綁扎拱座加固鋼筋網(wǎng)，并與植筋點焊→安裝模板澆筑C30拱座混凝土。因缺乏原基礎(chǔ)設(shè)計資料，加固尺寸以施工圖結(jié)合現(xiàn)場實際為準調(diào)整。（4）基礎(chǔ)加固分為挖基→安裝加寬基礎(chǔ)模板，澆筑C30基礎(chǔ)混凝土兩個施工步驟。因缺乏原基礎(chǔ)設(shè)計資料，加固尺寸以施工圖結(jié)合現(xiàn)場實際為準調(diào)整。為確保橋臺基礎(chǔ)施工方案正確，橋臺基礎(chǔ)開挖施工時應(yīng)現(xiàn)場驗槽，確認地質(zhì)情況。

加固后重新對該橋進行結(jié)構(gòu)驗算和全橋檢測，其強度得到提高，在原試驗車輛作用下，應(yīng)力和位移明顯降低，剛度顯著增大，可以滿足通行時強度、剛度等要求，結(jié)構(gòu)安全可靠，證實該方法可行。

結(jié)術(shù)語

綜上所述，本文依據(jù)靜載試驗、結(jié)構(gòu)驗算對實例進行檢測與加固分析，對石拱橋存在的病害及加固處理積累了一定的經(jīng)驗，為橋梁改造工作提供了一定的參考。

（作者單位：中南林業(yè)科技大學）

作者簡介：向綠林，中南林業(yè)科技大學，土木工程與力學學院，碩士研究生。