套拱法在石拱橋加固中的應用實例分析

江 林

(江西中煤建設集團有限公司，江西 南昌 330000)

1 套拱法加固石拱橋原理及承載力計算

套拱法是通過在原主拱圈拱腹增設一層鋼筋混凝土套拱形成復合主拱圈。由于混凝土結構與砌體結構兩種材料的線膨脹系數相近，在溫度變化時能協調變形，界面層不會產生較大的應變差，加之混凝土結構彈性模量大于砌體結構，新增的混凝土套拱能有效分擔荷載。

1.1 一般截面受壓承載力計算

石拱橋一般按承載能力極限狀態設計，當構件的受壓偏心距在限值范圍內時，承載力按以下公式計算

γ0Nd<φAfcd

式中:γ0-結構重要性系數；Nd-軸向力設計值；A-構件截面面積；fcd-砌體或混凝土軸心抗壓強度設計值；φ-構件軸向力的偏心距e和長細比β對受壓構件承載力的影響系數。

當構件的受壓偏心距在限值范圍外時，承載力按以下公式計算

式中:A-構件截面面積；ftmd-構件受拉邊緣的彎曲抗拉強度設計值；W-構件受拉邊緣的彈性抵抗矩；e-構件軸向力偏心距；φ-砌體偏心受壓構件承載力影響系數或混凝土軸心受壓構件彎曲系數。

1.2 復合截面受壓承載力計算

對于復合主拱圈，當構件的受壓偏心距在限值范圍內時，套拱后截面受壓承載力可保守的按下式計算

式中:A0、A1-分別表示砌石拱圈和套拱混凝土截面面積；fc0d、fc1d-分別表示砌體拱圈和套拱混凝土軸心抗壓強度設計值；φ-構件軸向力的偏心距e和長細比β對受壓構件承載力的影響系數。

當構件的受壓偏心距在限值范圍外時，套拱后的截面受壓承載力可考慮套拱內的順橋向鋼筋參與作用，按預混規5.3.4節計算截面受壓承載力，復合截面以套拱混凝土截面面積為標準層截面面積按彈性模量比進行換算。

復合截面上部受拉，下部受壓時，受壓承載力為

復合截面下部受拉，上部受壓時，受壓承載力為

Nu=fcdbx-σsAs

式中:fcd-混凝土軸心抗壓強度設計值；b-構件截面寬度；x-復合截面受壓區高度；σs-復合截面受拉邊順橋向鋼筋的應力；As-受拉區順橋向普通鋼筋截面面積。

2 工程實例

2.1 項目概況及加固設計要點

江西省內某橋全長51.4 m，橋面寬度為：6.0(行車道)+2×0.5 m(安全帶)，上部構造為2×16 m實腹式圓弧線砌石板拱，橋梁矢跨比為1/5，下部構造為重力式墩臺配擴大基礎。橋梁原設計荷載等級為“汽—15，掛—80”，加固設計荷載等級為“公路Ⅱ級”。

經檢測發現橋梁主要存在以下病害：(1)橋面鋪裝于橋跨拱腳、橋墩中心附近存在多條橫橋向通長裂縫，局部鋪裝層龜裂，混凝土缺失形成坑槽；(2)上下游側拱頂附近拱上側墻與主拱圈脫裂；(3)主拱圈局部存在砂漿抹面脫落、砌塊松動及局部滲水現象。

針對以上病害情況，提出主要加固設計要點如下： (1)對橋臺前墻及橋墩兩側外包20 cm厚 C35鋼筋混凝土以支撐主拱套拱；(2)主拱圈底部增設30 cm厚C40補償收縮混凝土套拱；(3)拆除橋跨段拱頂附近拱上側墻，采用C35素混凝土修復側墻至設計標高；(4)拆除全橋橋面系，重做15 cm厚C40防水混凝土橋面鋪裝，下設10 cm～14.5 cm厚C15素混凝土墊層；(5)重做C35組合式鋼筋混凝土防撞護欄。

橋梁加固施工步驟為：橋墩臺前墻外包混凝土施工→主拱圈套拱施工→拆除橋面系施工→拆除并重做拱上側墻施工→重做橋面系施工。

套拱施工工藝大致如下：清理拱底表面→清洗→植筋→布置鋼筋網(或鋼筋骨架)→澆筑混凝土→養生。施工時植筋設置在牢固、堅硬、未風化、經鉆孔后不崩裂的石材上，加強套拱與原砌石拱圈間的黏結。套拱混凝土沿拱軸線方向分段對稱、由拱腳自拱頂同步澆筑，并在澆筑套拱混凝土時預留灌漿修補孔供套拱混凝土終凝后通過修補孔壓注水泥凈漿來填塞新、老接合面間隙，確保套拱與原拱圈間的有效粘結。

2.2 套拱加固前后驗算

橋梁主拱計算采用MIDAS軟件進行建模，單個主拱圈分為32個梁單元。選取“公路Ⅱ級”荷載等級及構件承載能力極限狀態最不利組合下控制截面進行檢算，考慮承載能力檢算相關系數后，套拱前主拱圈結構內力檢算結果表1所示。

由表1檢算結果表明，在“公路Ⅱ級”荷載等級的作用下，套拱前拱橋主拱圈的承載力不滿足要求。

同樣，采用MIDAS軟件對套拱后主拱圈進行驗算。選取“公路Ⅱ級”荷載等級及構件承載能力極限狀態最不利組合下控制截面進行檢算，考慮承載能力檢算相關系數后，套拱后主拱圈結構內力檢算結果表2所示。

表1 主拱圈結構內力檢算結果一覽表(1)

表2 主拱圈結構內力檢算結果一覽表(2)

由上表檢算結果表明，在“公路Ⅱ級”荷載等級的作用下，套拱后拱橋主拱圈的承載力滿足要求，套拱前后主拱圈控制截面的承載力提升110%～130%。

3 結 語

采用套拱法加固石拱橋可有效提高石拱橋承載力。同時，對于拱底出現的砌塊松動、拱圈縱橫向裂縫等病害能起到有效的封閉作用。對設計標準低、年久失修的危舊石拱橋進行必要的加固，提高其通行能力和服務水平，是維護公路交通正常運營的積極措施，其意義及影響是深遠的。