小跨度石拱橋拱腹套拱加固設計探討

（四川蜀運通途工程勘察設計有限公司，四川 內江 641000）

0 前言

由于施工工藝及生產原材料等因素，上世紀50年代至90年代，無論是國省干線或者農村公路，均修建有大量的石拱橋，尤其以單跨20 米以內的小跨度石拱橋為主。隨著社會生產力的發展，車輛荷載標準的提高，原有的石拱橋大部分已經無法滿足現行荷載承載能力要求，均出現了不同程度的病害，如主拱圈縱橫向裂縫、橋臺前墻豎向裂縫、側墻外鼓變形等，亟待進行加固改造。

1 設計案例

1.1 原橋基本情況

躍進橋位于G319 線安岳縣境內，橋梁中心樁號為K2566+230。原橋荷載等級為汽車-20 級，掛車-100，左半福大約修建于上世紀50年代，右半幅為1999年加寬改造建成，根據檢測公司提供的資料，墩臺基礎情況較為良好，河床無沖刷現象。經現場調查測量，原橋為3-10 米石拱橋，拱圈厚度左半幅為0.65 米，右半幅為0.75 米，矢跨比約為1/2，橋面總寬度為12.2m，左半幅拱圈寬度6.67 米，右半幅拱圈寬度5.53 米，橋梁全長57.76m。

根據《G319線躍進橋橋梁定期檢查報告》顯示：

1.1.1 原橋病害類型如下：

a、右半幅第三跨拱腹大樁號側拱腳至L/2段距離下游側邊緣50cm～120cm范

圍內縱向開裂，裂縫長度6.5米，最大裂縫寬度7mm。

b、右半幅第一跨下游側拱上側墻存在沿砌縫開裂病害，砌體產生外鼓2.1cm。

c、右半幅第一跨下游側拱上側墻與主拱圈脫裂，產生外鼓1.5cm。

1.1.2 病害原因分析如下：

原橋的主要病害為右半幅1#主拱圈右側側墻外傾及裂縫，3#主拱圈縱向裂縫，通過現場的調查及對原橋基本情況的了解，出現上述病害的主要因素為拱上填料強度不足，加之橋面滲水引起土壓力增大，造成側墻外傾及裂縫，側墻外傾

引起拱圈開裂。該橋被評定為四類橋，原橋現狀見下圖：

平面圖

立面圖

主拱圈裂縫

側墻外鼓

1.2 加固設計方案

1.2.1 加固設計方案比選

在選擇加固設計方案時應同時兼顧“安全、經濟、適用、環保”的原則，制定切實可行的實施方案，方案比較闡述如下。

a、推薦方案

I、對原橋拱圈裂縫采用環氧樹脂封閉，墩臺身采用外包35cmC30 鋼筋混凝土進行加固，新舊墩身用錨固鋼筋連接，外包鋼筋混凝土擱置于原橋墩臺襟邊上，新加固的鋼筋混凝土在原橋斷縫處仍然設置斷縫。

II、在原漿砌塊石拱圈下增設30cm 鋼筋混凝土套拱，與原拱圈共同受力，新舊拱圈用錨固鋼筋連接，新增鋼筋混凝土拱圈在原橋斷縫處仍然設置斷縫。

III、拆除拱頂以上建筑物，改用7cmAC-13 SBS 橋面改性瀝青砼+ 23cm C30 鋼筋混凝土鋪裝層+ 70cm C20 素混凝土墊層，再挖除側墻外鼓部分填料，換填C20 素混凝土，并對原橋兩側側墻進行植筋錨固，以限制側墻變形。

Ⅳ、恢復橋面護欄、伸縮縫、標線、標志標牌等附屬設施。

推薦方案優點：此方案簡易可行，對拱上側墻以及拱圈結構的加固受力明確，加固改造效果顯著，工程投資較低。

推薦方案缺點：此方案加固改造后對橋下泄洪有一定影響。

b、比較方案一

I、對原橋拱圈裂縫采用環氧樹脂封閉。

II、在拱下搭設滿堂支架，將拱圈以上建筑物全部拆除，然后在拱背設置30cm 鋼筋混凝土套拱，與原拱圈共同受力，新舊拱圈用錨固鋼筋連接，新增鋼筋混凝土拱圈在原橋斷縫處仍然設置斷縫。

III、恢復拱上側墻，拱腔內換填C20 泡沫混凝土，橋面層采用7cmAC-13 SBS 橋面改性瀝青砼+ 23cm C30 鋼筋混凝土鋪裝層。

Ⅳ、恢復橋面護欄、伸縮縫、標線、標志標牌等附屬設施。

比較方案一優點：此方案簡易可行，拱圈結構的加固受力明確，加固改造效果顯著。

比較方案一缺點：此方案對原橋的開挖擾動較大，工期較長，工程投資較高。

c、比較方案二

I、對原橋拱圈裂縫采用環氧樹脂封閉。

II、清除拱頂以上填料，然后在拱頂澆筑10cm C20 素混凝土封面。

III、挖除側墻外鼓部分填料，換填C20 素混凝土，并對原橋兩側側墻進行植筋錨固，以限制側墻變形。

Ⅳ、設置3-11.8 米鋼筋混凝土簡支梁橋，在橋臺及橋墩所對應的位置增設梁板蓋梁。

V、恢復橋面護欄、伸縮縫、標線、標志標牌等附屬設施。

比較方案一優點：此方案簡易可行，加固改造后原拱橋主拱圈部分基本不參與結構受力，用新增梁橋承擔活載，結構受力明確，工程投資較低。

比較方案一缺點：此方案由于將原拱橋完全改造為簡支梁橋，原橋結構利用率很低，而且由于梁橋單跨跨度為11.8 米，跨度相對較大，新增蓋梁設置于原拱橋側墻上，可能會出現變形移位的現象。

1.2.2 施工簡要步驟及注意事項

a、施工簡要步驟

封閉右半幅，設置臨時交通管制設施，限制車輛總重不超過20T，車速不超過20Km/h橋臺圍堰，開挖左右半幅墩臺基礎至原橋基礎襟邊處即可，綁扎鋼筋澆筑左右半幅墩臺身鋼筋混凝土，同時對右半幅第三跨拱圈裂縫進行封閉處理澆筑右半幅復拱圈拆除右半幅拱上（橋臺）100cm范圍內欄桿及側墻，挖除拱上填料及側墻出現位移處填料側墻植筋，澆筑C20 素混凝土，恢復7cmAC-13 SBS 改性瀝青砼+23cm C30 鋼筋砼橋面鋪裝層+70cm C20 素混凝土，恢復伸縮縫、C30 砼側墻及鋼筋砼護欄拱圈混凝土、側墻、拱上填料及護欄達到設計強度后封閉左半幅，開放右半幅交通用同樣的方法對左半福拱圈進行加固處理恢復標線、標志標牌等附屬設施，完全開放交通。

b、施工注意事項

舊橋加固施工因其風險比新建橋梁更大，對施工質量和施工程序要求更高。在施工過程中，除嚴格按照《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650—2020）執行之外，還提出下列施工注意事項：

I、清除及拆除工作均采用人工清除、拆除，施工期間橋上嚴禁上大型機械。

II、橋梁加固施工過程中應嚴格進行交通管制，控制車輛總重不超過20T，通行速度不超過20Km/h。

III、原拱橋加載及卸載均應對稱均衡進行。

Ⅳ、裂縫灌漿處理

①灌漿膠采用環氧樹脂。

②對圬工表面進行處理，清除松散灰漿、砂粒、油垢，使圬工表面保持干凈。灌縫過程中，裂縫應處于干燥狀態（灌縫有特殊要求的除外）。

③灌縫用膠必須按所選用產品確定試驗的配合比進行拌合，準確稱量各組成材料并攪拌均勻。灌縫膠配好后，應盡快將其注入到裂縫中，并在該產品規定的適用期內使用完畢。

④縫隙全部注滿后應按材料要求進行養護，待漿液固化后，拆除灌漿嘴，并對圬工表面進行修整。

⑤灌縫過程中應嚴格控制質量，灌縫結束后應檢驗灌縫效果及其質量。凡有不密實或重新開裂等不合格的情況，應采取補灌等補強措施，確保質量。

Ⅴ、化學植筋施工工藝及操作要求

①材料

采用直徑20 毫米或16 毫米的自制螺紋鋼筋作為錨栓，植筋膠體采用A 級膠。

②植筋施工方法

1）放樣：按設計孔位放樣，標明鉆孔的位置。

2）鉆孔：孔深與錨筋埋設深度相同，植筋20mm 鉆孔大小為24mm，植筋16mm 鉆孔大小為20mm，孔道應順直。

3）清理鉆孔：孔道先用硬鬃毛刷清理，再以高壓干燥空氣吹去孔底灰塵、碎片和水分，孔內應保持干燥。

4）灌膠：將植筋膠由孔底灌注至孔深2/3 處，待插入錨筋后，膠即充滿整個孔洞。

5）插入錨筋：錨筋插入前應清除插入部分的表面污物，并須插到孔底，孔口多余的膠應清除。污物應先以鋼刷清除，再用丙酮擦凈，并予拭干。

6）在膠液干固之前，避免擾動錨固鋼筋和在孔位附近有明水。

Ⅵ、拱圈砼澆筑

①鑿除拱圈剝落、松散、風化表層。套拱施工前應對拱圈的其他缺陷，如砌縫砂漿脫落、裂縫、掉塊、空洞等進行修補。

②嚴格按照設計進行原拱腹植筋，套拱新增鋼筋應與原拱圈連接牢固。

③澆筑套拱砼前應充分濕潤原拱腹面。

④每半幅三跨拱圈澆筑應同時對稱均衡進行，澆筑順序從兩側拱腳向拱頂推進。

⑤施工中應采取有效措施保證新澆筑砼密實以及與原結構密貼。

Ⅶ、側墻加固

①按照設計圖對錨固孔道進行放線并鉆孔，在鉆進過程中應采取措施保護好原有側墻，避免施工過程中造成新的破壞。

②用錨固劑對直徑20mm 的錨固鋼筋進行錨固，澆筑C20 砼。

2 拱腹套拱方案探討

2.1 加固原理

實腹式圬工拱橋自重較大，主拱圈是受壓為主的結構，拱腹增設鋼筋混凝土套拱能有效地增大拱圈受力截面，改善截面力學性能指標，如截面高度、抗彎慣性矩等，在參與結構共同受力的過程中提高截面抗剪、軸向受壓、偏心受壓的能力，從而提高拱橋的設計荷載。

2.2 適用范圍

拱腹套拱通常適用于單跨跨度20 米以內的小跨度實腹式拱橋，且橋下凈空或橋下泄洪面積允許縮小的情況下使用，新增拱圈可采用鋼筋混凝土板拱或肋拱結構。

2.3 與其它加固方案比較

除拱腹套拱外，石拱橋的加固方案通常有如下幾類：

2.3.1 拱背套拱

即在原石拱橋拱背增設鋼筋混凝土套拱，此方案施工簡便，但開挖面很大，通常適用于單跨跨度10 米以內矢跨比不大于1/3 的圓弧拱或者單跨跨度為5 米的半圓拱。

2.3.2 拱上增設梁跨

即在原石拱橋拱上填料范圍內增設簡支梁橋跨越，此方案施工簡便，通常適用于單跨跨度不大于6 米的拱橋，以減小梁板的跨徑，降低設置梁橋蓋梁對原拱橋側墻強度的要求。

2.3.3 改善拱上填料

即將原拱腔內填料換填為泡沫混凝土，在加強拱上聯合作用的同時很大程度減輕了拱上恒載，從而提高拱橋的承載能力，通常適用于單跨跨度不大于6 米的拱橋。

2.3.4 腹拱改梁

即將原來的拱上腹拱改為梁板跨越，其主要目的仍然是減輕拱上恒載，以提高拱橋承載能力，通常適用于單跨16 米-30 米的空腹式拱橋。

3 結語

躍進橋于2018年底完成加固改造施工并全面開放交通，此橋位于國道319 上，重車多且交通量大，加固至今使用狀況良好，未發現新的病害，加固效果顯著。通過對拱腹套拱加固方案的實例分析，說明此方案是拱橋加固行之有效的可行方案之一，對于小跨度石拱橋加固具有一定的借鑒意義。

加固后平面

加固后立面