以承載力修正為基礎(chǔ)的石拱橋加固設(shè)計(jì)

摘 要：石拱橋是用天然石料為主要建筑材料的拱橋，外形美觀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，具有較高的承載能力，在我國(guó)擁有較高的歷史。據(jù)調(diào)查，石拱橋占據(jù)我國(guó)全部橋梁的60%以上，其中，80%以上石拱橋分布在縣鄉(xiāng)村。然而，時(shí)間的推移，交通量的增大，石拱橋病害現(xiàn)象越來(lái)越多，為行人帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。為提高行人安全性，筆者以承載力修正為基礎(chǔ)，利用自身工作經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)述了石拱橋的加固設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：承載力評(píng)估 承載力檢算 加固設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2018）09-0-01

近年來(lái)，國(guó)家加大了縣鄉(xiāng)村公路橋梁的改造，其中，涉及較多的工程為石拱橋的改造，對(duì)于需要改造的石拱橋，因其分布廣泛，全部拆除重建將耗費(fèi)極大成本、人力與物力，哪怕依靠國(guó)家力量，也很難完成[1]。筆者認(rèn)為，應(yīng)積極評(píng)估石拱橋的承載力，檢算石拱橋的極限承載力，勘查工程實(shí)際工況，以修正承載力為基礎(chǔ)，對(duì)石拱橋加固設(shè)計(jì)，以此提高石拱橋的安全性，延長(zhǎng)石拱橋壽命，降低工程成本。

一、石拱橋承載能力評(píng)估方法

1.實(shí)物調(diào)查比較法

實(shí)物調(diào)查比較法，是人們?cè)u(píng)估石拱橋承載能力的主要方式之一，是一種以實(shí)際交通情況檢定石拱橋承載力的動(dòng)態(tài)求法。具體做法如下：在石拱橋改造之前，相關(guān)人員對(duì)石拱橋進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，通過(guò)石拱橋觀察石拱橋每日通過(guò)車(chē)輛、車(chē)輛種類(lèi)，計(jì)算石拱橋承受荷載，通過(guò)計(jì)算石拱橋各部位撓度跨中數(shù)據(jù)，或者最大撓度處的應(yīng)變、應(yīng)力、裂縫等情況的相關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)制作表格，比較車(chē)輛載重以及其對(duì)應(yīng)撓度、應(yīng)力等，以此分析橋梁承受的荷載等級(jí)。

2.綜合評(píng)估法

綜合評(píng)估法，主要是利用分層分塊再綜合的思維方式對(duì)石拱橋的承載能力進(jìn)行評(píng)估。在橋梁結(jié)構(gòu)的承載力評(píng)估中，一般來(lái)講，首先，依照橋梁結(jié)構(gòu)將評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行劃分，使其成為多個(gè)評(píng)價(jià)因素；其次，對(duì)橋梁各部分的承載力以及影響承載力的因素進(jìn)行評(píng)價(jià)；最后，依照評(píng)價(jià)過(guò)程中權(quán)重的變化，將其分為變權(quán)綜合、常權(quán)綜合兩種，通過(guò)對(duì)橋梁安全性分析，了解石拱橋的承載力。

二、石拱橋極限承載力檢算

根據(jù)規(guī)程：JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，可直接利用檢算系數(shù)Z1，截面折減系數(shù)數(shù)false，兩者折減，最終檢算出石拱橋極限承載力。在石拱橋極限承載力檢算中，檢算系數(shù)Z1主要是由石拱橋結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度、缺損情況、結(jié)構(gòu)自振頻率三方面確定，截面折減系數(shù)false主要由石拱橋風(fēng)化、化學(xué)與物理?yè)p傷兩項(xiàng)指標(biāo)確定，規(guī)程內(nèi)已經(jīng)給出相關(guān)依據(jù)[2]。

另外，也可以使用有限元軟件，利用荷載增量加載、位移增量加載等模式計(jì)算橋梁的極限承載力。在極限承載力開(kāi)始檢算之前，需要先行設(shè)置較大負(fù)荷，控制較小的增量加載，在計(jì)算發(fā)散之前，能夠達(dá)到最大增量步的荷載代表橋梁的極限承載力。

三、以承載力修正為基礎(chǔ)的石拱橋加固設(shè)計(jì)

某地區(qū)生產(chǎn)石料，在開(kāi)挖溝渠，修建拱橋時(shí)，石拱橋成為首選，當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)了大量石拱橋。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，因自然環(huán)境以及外力影響，石拱橋逐漸老舊，承載力下降，面對(duì)日益增多的車(chē)輛，石拱橋改造設(shè)計(jì)成為重點(diǎn)。

1.工程概況

在本地區(qū)，某單跨實(shí)腹式石拱橋建設(shè)日久，是當(dāng)?shù)刂匾斔屯ǖ溃皹虻娜找胬吓f，已經(jīng)無(wú)法承載大型運(yùn)輸車(chē)，每次運(yùn)輸時(shí)，運(yùn)輸車(chē)只能繞較遠(yuǎn)路程，對(duì)此，改造橋梁，提高橋梁承載力，勢(shì)在必行。提高承載力，便利車(chē)輛過(guò)往。須知，該石拱橋全場(chǎng)25.0m，橋跨布置12.0m，橋凈矢高為3.1m，主拱圈厚0.5m，寬為5.5m，橋?qū)?.5m，行車(chē)道寬為5.0m。石拱橋上部結(jié)構(gòu)為：主拱圈、實(shí)腹式拱上建筑。主拱圈砌體厚度0.5m，凈跨12.0m，下部包含有：橋臺(tái)、基礎(chǔ)構(gòu)成。橋臺(tái)為重力式橋臺(tái)，石拱橋全部由條石建成。橋面鋪設(shè)有水泥混凝土，道路兩側(cè)安裝有鐵質(zhì)欄桿1.25m*0.25m，現(xiàn)已存在缺失，伸縮縫、人行道等未設(shè)置。

2.加固設(shè)計(jì)

勘測(cè)人員對(duì)橋梁詳細(xì)勘查后，在原拱圈下套建一座拱圈，增大構(gòu)件截面積，以此起到加固橋梁承載力的效果。新建拱圈以C30水泥混凝土澆筑，砌體厚度為0.35m，寬為5.5m，拱圈兩側(cè)厚度為0.15m；鑿出原護(hù)欄，以C25水泥混凝土作為原料，澆筑標(biāo)準(zhǔn)的護(hù)欄帶，提高橋梁安全性。

在橋梁改造施工前期，首先選擇M20普通水泥混凝土，充分?jǐn)嚢铻樯皾{，將砂漿填補(bǔ)僅石拱橋裂縫、坑洼處，提高石拱橋的質(zhì)量；其次填充密實(shí)后，利用相關(guān)設(shè)備在拱橋基礎(chǔ)拱腳處開(kāi)挖，判斷拱橋基礎(chǔ)是否為基巖，若基礎(chǔ)為土方，則應(yīng)設(shè)置牛腿，錨固新拱圈；若基礎(chǔ)為石方，可直接將拱圈與基巖錨固在一起；最后在新舊拱圈之間設(shè)置錨固鋼筋，使新舊拱圈連為一體。

注意：在橋梁改造加固過(guò)程中，應(yīng)避免車(chē)輛通行，橋梁加固完畢后方可通車(chē)，若必須通車(chē)，應(yīng)控制車(chē)速在10km/h以下，且車(chē)輛重量不超過(guò)5t。

3.加固后受力分析

橋梁加固完畢后，為查看橋梁改造質(zhì)量是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，相關(guān)人員利用有限元模擬分析對(duì)加固后的主拱圈承載力進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際施工中，因新拱圈很難與原拱圈完全固結(jié)，形成有機(jī)整體，然而，在分析加固后橋梁受力情況時(shí)，多是以加固前計(jì)算模型為基礎(chǔ)，在主拱圈外部增加鋼筋混凝土加固層單元，計(jì)算出的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在差異。對(duì)此，在模型中，應(yīng)將加固層與原拱圈進(jìn)行剛性連接。因恒載、移動(dòng)荷載、結(jié)構(gòu)自振頻率都會(huì)影響檢算結(jié)果，因此，充分考慮上述情況。另外，在橋梁改造中，活載公路為Ⅱ級(jí)，人群荷載為3.5kN/m，考慮一次成橋受力情況，最終計(jì)算得知，通過(guò)在原拱圈下建設(shè)新拱圈，并將兩者進(jìn)行錨固后，橋梁承載能力富余量達(dá)到65.6%-81.0%，橋梁整體強(qiáng)度岷縣提高，滿足了橋梁設(shè)計(jì)要求。由此可見(jiàn)，加固效果良好。

結(jié)束語(yǔ)

因行駛需求，對(duì)橋梁進(jìn)行加固，在本工程中，相關(guān)人員在主拱圈下建設(shè)新拱圈，并將兩者錨固為一個(gè)整體，有效提高了橋梁的承載力。在文章中，筆者簡(jiǎn)述了綜合評(píng)估法、實(shí)物調(diào)查比較法兩種橋梁承載力的計(jì)算方法，簡(jiǎn)單敘述了橋梁極限承載力的檢算，以實(shí)際工程為例，展開(kāi)加固設(shè)計(jì)，加固完畢后計(jì)算得知，本次橋梁改造效果良好，可見(jiàn)該種加固方式的可靠與高效。

參考文獻(xiàn)

[1]張晶. 鋼筋混凝土套箍加固石拱橋力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D]. 西南交通大學(xué)， 2013（24）：120-120.

[2]公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)范（JTG/T J21-01-2015）

作者簡(jiǎn)介：鄭舜元（1997.4-），男，漢族，籍貫：廣西壯族自治區(qū)桂林市 ，學(xué)歷：本科，研究方向：道路與橋梁專(zhuān)業(yè)。