一種石拱橋增大拱圈截面加固新方法

楊再榮 安竹石

摘 要：為了避開拱圈上緣增大截面加固石拱橋破壞拱上建筑原貌的缺點，又能改善拱圈受力特性、提高拱圈承載力，提出了一種石拱橋拱圈增大拱圈截面加固方法。該方法能不僅提高了石拱橋的承載能力、使其繼續(xù)服役，而且盡可能保留了其原貌。應(yīng)用有限元分析軟件建立模型進(jìn)行模擬，分析了加固前承載力及加固后承載力。結(jié)果表明，從理論上這種增大截面加固方法不僅提高了拱圈承載力，而且沒有破壞舊石拱橋的原始面貌。

關(guān)鍵詞：加固;增大截面;拱圈;方法

中圖分類號：U445.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）07-0133-04

A New Method of Strengthening Stone Arch Bridge by Enlarging Arch Ring Section

Yang Zairong， An Zhushi

（College of Civil Engineering， Guizhou University， Guiyang 550000， China）

Abstract：In order to avoid the shortcomings of the stone arch bridge with enlarged section on the upper edge of the arch ring to destroy the original appearance of the building on the arch， and to improve the mechanical characteristics of the arch ring and increase the bearing capacity of the arch ring， a reinforcement method of increasing the arch ring section of the stone arch bridge is proposed. This method can not only improve the bearing capacity of stone arch bridge and keep it in service， but also keep its original appearance as far as possible. The finite element analysis software is used to establish the model for simulation， and the bearing capacity before and after reinforcement is analyzed.? The results show that， theoretically， the method of increasing cross-section not only improves the bearing capacity of arch ring， but also does not destroy the original appearance of old stone arch bridge.

Key words：reinforcement; increasing section;arch ring; method

0 引言

在拱橋拱圈上腹部兩側(cè)填實土壤或粒料后鋪裝路面，這種拱橋稱為實腹拱橋。石拱橋[1]具有取材方便、造型優(yōu)美、耐久性強，石材砌體結(jié)構(gòu)是一般實腹式圬工拱橋采用結(jié)構(gòu)，可以將砌體分為料石砌體、毛石砌體，毛石砌體或者料石砌體作為上部結(jié)構(gòu)拱圈、拱上側(cè)墻主要材料，毛石砌體為橋臺、橋墩、基礎(chǔ)等下部結(jié)構(gòu)主要材料。實腹式圬工拱橋結(jié)構(gòu)用到的主要材料是石材和砂漿，在對實腹式拱橋進(jìn)行加固時，常用加固方法有增大主拱圈截面面積、提高主拱圈強度、改變結(jié)構(gòu)體系、減輕拱上建筑恒載等。不管是那種方法都對石拱橋的外觀或多或少破壞，失去了對其歷史價值的保護(hù)。灌漿加固技術(shù)系指施加一定的壓力， 將某種漿液灌入結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)部裂縫中， 以達(dá)到封閉裂縫， 提高拱上建筑的整體性， 恢復(fù)并提高結(jié)構(gòu)耐久性和抗?jié)B性能的一種修補方法。增大截面法[2]加固主拱圈是通過新澆筑一定厚度的拱圈，使其和原拱圈結(jié)合成一個整體共同受力。原截面的截面高度、面積、重心位置、慣性矩等截面特性在增大截面是將會被改變[3]。結(jié)合灌漿加固法和增大截面加固法各自的特點，現(xiàn)推出一種對實腹式石拱橋的加固工藝，在提高其承載力、延長其壽命的同時，做到對外觀的保護(hù)。

1 新加固方法的設(shè)計

1.1 工程概況

其上部構(gòu)造主橋為凈跨徑1×9.0m+1×8.5m石拱橋，下部構(gòu)造橋墩為重力式橋墩，兩岸橋臺均為重力式U型橋臺，擴大基礎(chǔ)。橋梁設(shè)計荷載為汽-20級。橋面全寬7.5m;橋梁全長25.2m，馬場大橋橋建成后所有原始資料都已經(jīng)找不到，所以所有數(shù)據(jù)只能到橋現(xiàn)場測得。

1.2 加固方案

（1）對拱橋進(jìn)行技術(shù)狀況評定[4]，初步了解橋的情況。并用鉆孔的方式對拱上填料進(jìn)行抽檢，對填料的材料和各項參數(shù)做好記錄。

（2）將拱圈分成左右兩部分依次施工，如圖2、圖3所示。在對左半部分或者右半部分進(jìn)行施工時，要先從拱頂開始最后到拱腳對稱施工.表面層砌塊的拆除需要注意的是，拆除前要對砌塊的堆砌位置用拍照、編號等方式進(jìn)行記錄以便后期恢復(fù)，可根據(jù)實際情況編號和選取拆除順序。拆除砌塊的面積略大于拱圈上部開挖的面積以便進(jìn)行開挖操作。

（3）在進(jìn)行第二步前，需要用有限元分析軟件對橋梁進(jìn)行建模分析，分別模擬第二步的施工過程。分析其可行性，達(dá)不到施工條件的，進(jìn)行填料灌漿處理。灌漿量、灌漿位置及程序由模型分析決定。

（4）開挖完成后，對開挖孔進(jìn)行清理，然后將鋼筋籠安放進(jìn)去，用拌好的膨脹混凝土按與挖孔的相反順序進(jìn)行對稱澆筑。在進(jìn)行澆筑前的需要先把拆的砌塊按原來的位置堆砌，然后做模板支撐。新澆拱圈略小于原拱圈，所以在堆砌的時候需要用切割機將石塊切成與砌筑位置匹配的橫橋向尺寸。

（5）待達(dá)到設(shè)計強度后按相同的工藝對另外一半拱圈進(jìn)行加固。

2 加固設(shè)計有限元分析[6]

2.1 增大截面原理

以主拱圈上緣增大截面進(jìn)行分析，原拱圈可以認(rèn)為是任意形式截面，A為其面積，I為對通過重心O的坐標(biāo)軸Ox的慣性矩，S為對底邊的靜面矩，B為寬度。假設(shè)在截面上緣增加一個高為h'的矩形截面，如圖4所示。

原截面中重心到底邊的距離可以依據(jù)給出的條件算出：

Y=S/A

加固以后，組合截面總的面積為：

A'=A+Bh'

組合截面對定邊新的靜矩為：

所以組合截面中重心到原頂邊的距離為：

Y'=S'/A'

則根據(jù)組合截面和慣性矩平移定理，組合截面對截面新坐標(biāo)x'0的慣性矩為：

2.2 模型建立

根據(jù)橋位處現(xiàn)場情況，結(jié)合當(dāng)時的修建年代，從實際橋的拱圈進(jìn)行測量，原橋為凈跨徑1×9.0m+1×8.5m石拱橋，主拱圈厚0.4m，考慮兩孔跨徑不同，以跨徑較大者按現(xiàn)場實測資料將拱軸線擬合為計算跨徑9.37m、計算矢高3.18m的等截面圓弧拱計算。

拱圈按M7.5漿砌MU30塊石[5]。查《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》得主要力學(xué)指標(biāo)：

彈性模量5.65×103MPa、容重24kN/m3、線膨脹系數(shù)8×10-6/ ℃、軸心抗壓強度設(shè)計值fcd 2.67 MPa、直接抗壓強度? ? ? 0.54MPa。

拱上建筑側(cè)墻、橋面，護(hù)欄等都等代為拱上填料，拱上建筑總荷載按照分布荷載（梯形荷載）的形式直接作用到主拱圈上，填料容重取20 kN/m3。

計算時將整體橋梁簡化為裸拱圈[7]受力模型，平面有限元模型中主拱圈厚度為 0.4m，拱頂處拱上填料厚度為0.7m，跨度為9.37m，矢高為 3.18m，橫向?qū)挾冗x定為 7.3m。主拱圈和橋面劃分為16個單元，拱上建筑等代為填料，按均布荷載處理，如圖5所示。

首先對原橋按原有的荷載標(biāo)準(zhǔn)汽-20級進(jìn)行計算后，再按現(xiàn)有荷載標(biāo)準(zhǔn)公路-Ⅱ級荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗算，本橋跨徑9.0m，屬于小橋，按規(guī)范JTG D61—2005第4.0.3條，設(shè)計安全等級為三級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為γo=0.9。

按規(guī)范JTG D61—2005第4.0.4條，應(yīng)滿足下列表達(dá)式：

γoS≤R（fd，ad）

荷載組合如表1所示。

其中： D 表示恒荷載; M 表示移動荷載; T 表示溫度荷載。移動荷載可以分為MAX 和 MIN。

原橋在汽-20標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下其承載能力滿足規(guī)范要求，但從驗算的結(jié)果來看（表2所示），未加固時原橋在公路-Ⅱ級荷載作用下主要截面強度僅有部分截面滿足現(xiàn)有規(guī)范要求，因而應(yīng)對其進(jìn)行加固。

2.3 加固方案

對原拱圈在上緣增設(shè)30cm厚鋼筋混凝土（C30）套拱;增設(shè)防撞護(hù)欄基礎(chǔ);在兩岸橋臺臺口處增設(shè)彈塑體伸縮縫;重新澆筑全橋橋面鋪裝、防撞護(hù)欄及增設(shè)橋面排水管;對拱圈灰縫砂漿脫落處采用M10水泥砂漿進(jìn)行勾縫處理;對填料進(jìn)行灌漿加固保證開挖的進(jìn)行。

2.4 加固后效果及拱圈聯(lián)合截面強度驗算

加固后各主要截面主拱圈承載能力均大于荷載效應(yīng)，滿足規(guī)范要求。如表3所示。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

（1）在恒荷載作用下加固拱圈為原主拱圈承擔(dān)了一部分荷載。

（2）加固后所施加活載由新舊拱圈共同承擔(dān)，拱橋在公路—Ⅱ級荷載作用下承載力滿足要求，提高了拱圈承載力。

（3）加固后各主要截面主拱圈承載能力均大于荷載效應(yīng)，滿足規(guī)范要求。

3.2 展望

提出的這種石拱橋增大截面的新方法不僅能滿足提高舊拱圈承載力的要求，而且對就石拱橋的外觀起到了一定保護(hù)作用，特別是在需要維持一定使用功能又不能破壞其原貌的舊石拱橋。

參考文獻(xiàn)

[1]劉聰.石拱橋極限承載力分析與影響因素[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2015.

[2]蔡斌.服役石拱橋加固技術(shù)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2009.

[3]倪玲.增大截面法加固拱橋承載力驗算方法研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2009.

[4]中華人民共和國交通運輸部.公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)（JTG/T H21—2011） [M].人民交通出版社，2011.

[5]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范（JTG D61-2005）.北京：人民交通出版社，2005.

[6]李 錚，向中富，李自強，等.考慮拱上建筑聯(lián)合作用的石拱橋有限元分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，30（4）：725-728.

[7]梁曉菊.拱橋有限元設(shè)計計算原理及程序開發(fā)[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2008.

[8]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范（JTG D61-2005）.北京：人民交通出版社，2005.