復(fù)合主拱圈加固空腹式石拱橋的應(yīng)用技術(shù)

陳生華，楊美云，潘昊宇

(1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

復(fù)合主拱圈加固空腹式石拱橋的應(yīng)用技術(shù)

陳生華1，楊美云1，潘昊宇2

(1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

文章以某空腹式石拱橋加固項(xiàng)目為例，針對(duì)該橋的病害情況，介紹了采用鋼筋混凝土復(fù)合主拱圈進(jìn)行加固的機(jī)理及工藝，并通過(guò)有限元模型計(jì)算驗(yàn)證了其加固效果，為同類(lèi)橋梁采用復(fù)合主拱圈加固技術(shù)提供參考。

空腹式石拱橋；復(fù)合主拱圈；力學(xué)性能；施工步驟；有限元模型；加固技術(shù)

0 引言

石拱橋是一種古老的橋型，也是我國(guó)改革開(kāi)放前橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式之一。在我國(guó)的某些地區(qū)，特別是西部山區(qū)，仍然還有相當(dāng)數(shù)量的石拱橋。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的限制，很多石拱橋在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)不同程度的病害情況。比較常見(jiàn)的有：墩臺(tái)基礎(chǔ)外移，傾斜、拱軸線劣化、裂縫病害等。采用適當(dāng)?shù)木S修加固技術(shù)來(lái)恢復(fù)石拱橋承載能力，延長(zhǎng)其使用壽命，既能消除交通安全隱患，又能節(jié)約投資費(fèi)用，有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

石拱橋加固方法較多，根據(jù)舊橋的結(jié)構(gòu)形式和病害情況，可采用釋能法、復(fù)合主拱圈加固法、錨噴混凝土法、套箍封閉主拱圈加固法、粘貼加固法、拱上恒載調(diào)整法、外部預(yù)應(yīng)力加固法等。本文結(jié)合橋梁加固工程實(shí)例，淺談復(fù)合主拱圈加固法在石拱橋加固中的應(yīng)用。

1 工程概況

某空腹式石拱橋竣工于1968年，主拱跨徑約95 m，橋面總寬9.4 m。該橋主拱圈拱腳高2.0 m，拱頂高1.3 m，拱圈寬度為9.0 m，全橋共布置8個(gè)腹拱圈。橋面布置為：1.20 m(石欄桿及人行道)+7.0 m行車(chē)道+1.20 m(石欄桿及人行道)。其施工時(shí)拱架為竹材搭設(shè)而成，拱頂段在施工中曾下沉。近年來(lái)，該橋通行車(chē)輛以30～40 t左右的運(yùn)輸車(chē)為主，橋梁受損較為嚴(yán)重。目前，該橋已限制運(yùn)輸車(chē)輛通過(guò)，以人行及小型車(chē)輛通行為主。其簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 某橋主橋橋跨布置圖

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，該橋橋面系受損較為嚴(yán)重，主拱圈、腹拱圈水漬明顯，滲水、浸水較為普遍；縱向裂縫在主拱圈的拱腹分布較多，有多條已基本貫通，最大裂縫寬度為1.00 mm；石料砌體、灰縫表層風(fēng)化較多。實(shí)測(cè)拱軸線顯示拱軸線劣化嚴(yán)重(如圖2所示)，左岸橋面拱頂段下沉明顯，達(dá)到18.3 cm，與擬合出最為接近的理論線形相比，正負(fù)高差分別為-18.0 cm、10.7 cm；主拱圈左岸普遍比右岸低，兩岸拱軸線相差較大，為-23.8～3.1 cm。經(jīng)分析，該橋病害以裂縫病害、拱軸線劣化為主，決定采用鋼筋混凝土復(fù)合加固技術(shù)加固主拱圈。

圖2 實(shí)測(cè)拱軸線(虛線)與最接近的理論拱軸線對(duì)比圖

2 復(fù)合主拱圈加固

2.1 加固機(jī)理及工藝

復(fù)合加固技術(shù)是在原拱圈的腹拱面和兩側(cè)增設(shè)鋼筋混凝土加固層，或僅在原拱圈腹拱面增設(shè)鋼筋混凝土拱板形成復(fù)合主拱圈，共同承擔(dān)后期荷載的作用，以增大主拱的強(qiáng)度及剛度，提高拱橋承載能力，達(dá)到以較小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)延長(zhǎng)橋梁使用壽命的目的。

復(fù)合加固技術(shù)一般是針對(duì)拱橋由于拱圈材料風(fēng)化、原有砂漿脫落、拱圈開(kāi)裂和拱軸線劣化而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)承載力不足等情況。加固后能提高原結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，增大了主拱圈的強(qiáng)度、剛度，提高了承載力。另外，從施工方面來(lái)看，其施工流程清晰，所需施工技術(shù)較為簡(jiǎn)單，故在石拱橋加固中應(yīng)用較多。

鋼筋混凝土復(fù)合主拱圈加固機(jī)理一般是從斷裂力學(xué)和增大截面兩個(gè)方面考慮。從斷裂力學(xué)考慮，主拱圈加固前的表面裂紋變?yōu)樵诩庸毯蟮慕Y(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋；通過(guò)錨桿的連接及現(xiàn)澆混凝土本身的粘合力，使后澆的鋼筋混凝土加固層能與原主拱圈層結(jié)合共同受力，以達(dá)到增大截面的效果。

在加固設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中，有容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法兩種方法，而現(xiàn)行規(guī)范采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，其強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

γ0Nd≤φAfcd

式中γ0Nd——荷載效應(yīng)；φ——構(gòu)件影響系數(shù)；fcd——抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，復(fù)合主拱圈加固采用標(biāo)準(zhǔn)層強(qiáng)度；

A——主拱圈截面的面積。

鋼筋混凝土復(fù)合拱圈加固一般有兩種方式：(1)在原拱圈的腹拱底及兩側(cè)增設(shè)鋼筋混凝土拱板加固；(2)先在原拱圈腹拱設(shè)鋼筋混凝土拱肋，拱肋參與受力后，現(xiàn)澆薄層混凝土拱板，形成復(fù)合主拱圈，通過(guò)復(fù)合主拱圈的協(xié)調(diào)變形共同作用來(lái)承擔(dān)后期荷載，達(dá)到增大主拱圈強(qiáng)度、剛度，提高拱橋承載能力的目的。方式(1)一般針對(duì)主拱圈不寬的拱橋，方式(2)一般針對(duì)主拱圈病害嚴(yán)重，或主拱圈寬度9m以上的拱橋。鑒于本橋主拱圈寬9m，且主跨跨徑較大，故采用方式(2)進(jìn)行加固。

其加固方案概述如下：

(1)更換橋面系，并將欄桿統(tǒng)一更換為輕型的預(yù)制鋼筋混凝土欄桿。

(2)對(duì)主拱圈裂縫采用高壓灌漿處治，封閉裂縫，填充砂漿空洞，以增強(qiáng)拱圈整體性。

(3)鋼筋混凝土復(fù)合加固主拱圈，加固后截面如下頁(yè)圖3所示。

圖3 復(fù)合主拱圈加固示意圖(單位：cm)

在原拱橋主拱圈底面植入錨桿，拱圈腹拱底面及兩側(cè)面現(xiàn)澆10cm厚鋼筋混凝土，并同時(shí)在腹拱底面澆5道拱肋，每道拱肋寬80cm，厚40cm，拱肋間隔5m設(shè)置一道橫系梁。錨桿采用聚酯樹(shù)脂錨桿，成梅花形布置。加固層采用C40現(xiàn)澆混凝土，縱向主筋為HRB335φ18，主筋間距15cm，橫向鋼筋取HRB335φ16，鋼筋間距20cm。

復(fù)合拱圈加固工藝如下：

(1)鉆孔安設(shè)錨桿。放樣鉆孔→清孔及檢查→安設(shè)錨桿。

(2)拱圈結(jié)合面清理并鑿毛。去除風(fēng)化剝落的表層，并鑿毛，使表面粗糙，增強(qiáng)與加固層的粘結(jié)。

(3)布設(shè)鋼筋。縱、橫向鋼筋與錨桿連接處采用點(diǎn)焊焊接，其余縱、橫向鋼筋在交接位置綁扎；縱向鋼筋在拱座、橫墻位置需錨入原橋砌體。

(4)現(xiàn)澆混凝土層。為減小溫度附加內(nèi)力的影響，現(xiàn)澆層混凝土在溫度較低時(shí)候施工，并采用對(duì)稱(chēng)澆筑，分節(jié)段從兩拱腳開(kāi)始，往拱頂方向施工。一個(gè)節(jié)段內(nèi)，先施工主拱圈腹，后施工主拱圈側(cè)面。

2.2 加固有限元模型及驗(yàn)算

該橋采用有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件MIDAS/CIVIL建模計(jì)算，見(jiàn)圖4。在加固施工初期，主拱圈腹拱新澆筑鋼筋混凝土拱肋尚未參與受力，主拱圈截面為舊橋截面，所受荷載為舊橋自重、現(xiàn)澆混凝土拱肋重；第二階段鋼筋混凝土拱肋參與受力，拱圈截面按加拱肋后截面計(jì)算，現(xiàn)澆薄層混凝土拱板按外荷載考慮，第三階段考慮加固后截面整體受力，荷載為包括加固后構(gòu)件自重在內(nèi)的恒載、橋面系二期恒載以及其他使用階段的可變荷載。荷載組合中考慮恒載、汽車(chē)荷載、升溫、降溫、收縮、徐變等，組成荷載組合Ⅰ～組合Ⅳ。

圖4 結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖

經(jīng)計(jì)算，歸納計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，經(jīng)過(guò)加固后，最不利截面內(nèi)力值為1.56，滿足規(guī)范要求。采用鋼筋混凝土復(fù)合主拱圈加固該橋，能較大幅度地恢復(fù)結(jié)構(gòu)承載能力，加固效果較好。

表1 加固后主拱圈各截面內(nèi)力值表

3 結(jié)語(yǔ)

(1)復(fù)合加固后能提高原結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，增大了主拱圈的強(qiáng)度、剛度，提高了承載力。另外，也有施工流程清晰，所需施工技術(shù)較為簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)代價(jià)較低的優(yōu)點(diǎn)。

(2)鋼筋混凝土復(fù)合主拱圈加固屬于二次組合結(jié)構(gòu)，新增混凝土現(xiàn)澆加固層和原砌石結(jié)構(gòu)層之所以能形成復(fù)合主拱圈協(xié)同受力，主要是由于錨桿的錨固作用以及材料之間的粘結(jié)作用，并取決于結(jié)合面的構(gòu)造處理及施工工藝。如何優(yōu)化結(jié)構(gòu)面構(gòu)造以加強(qiáng)新、舊混凝土連接整體性尚有待繼續(xù)研究。

[1]JTGD61-2005，公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]周建庭，劉思孟，李躍軍.石拱橋加固改造技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3]劉士林，向中富.特大跨徑石拱橋研究與實(shí)踐[M].北京：人民交通出版社，2006.

[4]蒙 云，盧 波.橋梁加固與改造[M].北京：人民交通出版社，2004.

Application Technology of Hollow Stone Arch Bridge Reinforcement by Composite Main Arch

CHEN Sheng-hua1，YANG Mei-yun1，PAN Hao-yu2

(1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029；2.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

With the reinforcement project of a hollow stone arch bridge as the example，and regarding the disease situation of this bridge，this article described the mechanisms and processes by using the reinforced concrete composite main arch for the reinforcement，and through the finite element model it verifies and cal-culated its reinforcing effect，thereby providing the reference for similar bridges using the composite main arch reinforcement technology.

Hollow stone arch bridge；Composite main arch；Mechanical properties；Construction steps；Finite element model；Reinforcement technology

U445.7+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.015

1673-4874(2015)04-0052-03

2015-03-06

陳生華，工程師，主要從事橋梁勘察設(shè)計(jì)工作。