小跨徑石拱橋的加固改造實例淺析*

吳智慧，楊德歡，王 斌，劉俊斌，黃小娟

(1.安徽交通職業技術學院土木工程系，安徽 合肥 230051;2.長沙大學土木工程系，湖南 長沙 410003)

圬工拱橋具有取材容易、節省鋼材與水泥、承載能力大、技術容易掌握、構造簡單、耐久性好、養護費用少等優點［1］，在我國20世紀50年代～80年代得到了廣泛的應用.據統計［2］，目前我國拱橋數量居世界第一，而且拱橋在全國所有橋梁中約占60%，西部尤其西南地區占90%以上.由于當時的設計技術標準較低，加上材料的風化和自然環境的影響，很多舊石拱橋存在承載能力不足的現象，不能滿足日益增長的交通量和超重、超限車輛的通行，維修加固已是迫在眉睫.

當前，祝小龍［3］等用加固減載法對跨徑70m的懸鏈線空腹式石拱橋進行加固處理;高榮雄［4］等采用拱背加固減載法成功改造了跨徑40m，22.0+25.60+7×22.10m的9孔不等跨雙曲連拱橋;林力成［5］等對跨徑20m的實腹式拱橋進行了加固處理.由上可知，人們對中等跨徑的石拱橋的加固處理較多，而對10～15m及以下小跨徑石拱橋的加固處理研究較少.

1 加固機理

石拱橋上部結構常見的病害有:(1)主拱軸線型變化;(2)主腹拱圈順、橫或斜橋向出現裂縫;(3)石料分化脫落，拱圈不均勻凹凸變形;(4)側墻外鼓、開裂、滲水等.上述病害嚴重影響了拱橋的承載力，補救辦法是對主要承重構件進行補強或加寬，改善結構性能，恢復和提高橋梁結構的安全度，以延長石拱橋的使用壽命，使整座石拱橋滿足規定的使用功能需求，并能適應未來交通運輸發展.

我國公路圬工橋涵結構按承載能力極限狀態設計時，應采用下列表達式［6］

式中γ0—結構重要性系數，對應于文獻［6］按相應安全等級分別取用 1.1，1.0，0.9;S0—結構作用效應組合設計值，按文獻［7］的規定計算;R0(*)—構件承載力設計值函數;fd—材料強度設計值;ad—幾何參數設計值，可采用幾何參數標準值ak，即設計文件規定值.

文獻［7］指出:石拱橋出現開裂等病害后，易知R0(fd，ad)是減小的，設其減小到 R1(fd，ad).通過對這些病害石拱橋進行維修加固，即可得到γ0S1≤R2(fd，ad)，這里 S0≤S1，即提高設計指標;R0(fd，ad)≤ R2(fd，ad)，即提高承載能力.文獻［7］首次提出如下3條圬工拱橋加固改造的技術指標.為便于分析，對于小跨徑石拱橋取γ0=1.0.

技術指標1:R1＜S0=S1≤R2≤R0，即保持橋梁原設計等級，僅通過提高病害橋梁的承載力使其達到原有水平，滿足當前的設計、加固改造要求;

技術指標2:R1＜S0＜S1＜R0＜R2或R1＜S0＜S1＜R2＜R0，即提高橋梁的設計等級的同時提高病害橋梁的承載力，使其滿足當前的設計、加固改造要求;

技術指標3:R1＜S0＜R0＜R2＜S1，即提高橋梁的設計等級，提高病害橋梁的承載能力至其極限值也達不到當前的設計要求，此時病害橋梁需拆除重建.

石拱橋由建筑材料決定了最理想的是全截面軸心受壓，在設計中多采用懸鏈線作為設計拱軸線.但由于拱上建筑的影響，壓力線與拱軸線偏離，拱橋實際多處于偏心受壓狀態.主拱圈在恒載作用下的應力由軸力和彎矩產生的應力組合而成.

偏心受壓結構的上下緣的應力值為:

主拱圈截面尺寸增大后，假定主拱圈和加固層協調變形，混凝土加固層高度不變按彈模比例換算成漿砌塊石A'和W':

A'—加固后等效面積;W'—加固后等效截面抗彎模量.

因A'＞A，W'＞W，所以σ'比σ將減小，即加固增大主拱圈截面其極限承載力明顯提高.

其次，利用結構在三向受壓情況下其抗壓強度將提高的原理，采用鋼筋混凝土套箍環狀加固橋梁，原主拱圈處于三向受壓狀態其極限承載力提高.

2 石拱橋常用加固方法

在文獻［2，3，8－14］中介紹了常用的拱橋加固方法.

調整荷載集度法:通過采用不同容重的拱上填料，改變拱上填料厚度等方法來調整偏離附加內力的大小，即對拱軸線和壓力線進行調整，使兩者盡量吻合，從而改善主拱圈的不良受力狀況［2］.

套拱法:適宜跨徑10m以下且滿足基礎承載力的石拱橋加固.先將原拱圈的裂縫進行處理，然后對原拱圈灌漿，整體性加強，再采用灌漿法處理基礎.基礎處理完后在原拱圈下澆筑一層鋼筋混凝土套拱，套拱施工完后再在其與原拱圈之間灌漿，及增大拱圈厚度［8］.

加固減載法:通過(1)降低橋面標高，減少或完全取消拱上填料，換填輕質材料;(2)將實腹式拱橋改為空腹式拱橋;(3)做成鋼筋混凝土剛架或桁架式拱上建筑用鋼筋混凝土T梁、板梁等輕質橋面系取代笨重的實腹拱體系［3］.

鋼筋砼套箍封閉主拱圈加固技術:在原主拱圈拱腹外增設鋼筋混凝土拱板，通過灌漿形成復合主拱圈，再通過復合主拱圈的協調變形和共同作用來承擔后期荷載，增大主拱圈強度和剛度，提高橋梁承載能力［9］.

加固加寬法:在拱圈下增設副拱圈同時加寬原橋，加寬的拱圈結構部分和原結構連成一個整體，從而提高拱橋的承載能力.對原橋病害用錨桿進行處治，加固、加寬同時進行施工，采取從橋臺下面的基礎到橋臺，到拱圈都整體加固襯砌鋼筋混凝土，并在內側對橋臺基礎予以加固，加固部分和加寬的拱圈連成—個整體，受力分布均勻，提高了橋梁的整體承載力［10］.

粘貼加固法:指在拱底或拱背采用環氧樹脂或建筑結構膠粘貼鋼板、碳纖維布、玻璃纖維布等高強材料，使之與結構形成整體，增加結構的強度，提高橋梁承載力［11］.

裂縫灌漿技術:對拱圈裂縫和橋臺石砌體裂縫利用空氣壓力將環氧漿液灌注到裂縫深處的一種修補加固方法，封閉裂縫可以達到提高橋梁混凝土結構整體性、延長耐久性和提高抗滲性的目的.灌漿完成后在拱圈底部通長粘貼碳纖維布，并粘貼碳纖維布壓條增強錨固.碳纖維布具有很好的抗拉性能，在裂縫開展不大的情況下，在拱圈底部粘貼碳纖維布可有效提高其抗拉性能，防止拱圈進一步開裂［12］.

除了上述針對橋梁本身的加固改造方法外，其他還有頂推法加固技術［13］、體外預應力加固技術［14］等.

從上述常見的加固方法可知，絕大多數的加固方法都是按照式(1)中所述改變拱橋各構件的重度和高度來提高病害拱橋的承載力，下面幾個案例也是證實了這一點，曾家橋采用了加固加寬法和裂縫灌漿技術加固法;木家橋采用了加固加寬法、加固減載法和調整荷載集度法.

3 工程實例

3.1 工程概況

本文以國道G207線安化段公路改建工程為依托，該公路修建年限早，設計標準低，一部分橋梁則采用加固方案，布設基本服從路線，選取路線中幾個典型的小跨徑石拱橋為例，介紹加固改建方案和措施.另一部分橋梁橋下凈空或平面線形不滿足要求，運營現狀差，采取拆除重建方案.

3.2 曾家橋

2×6.5m的實腹式石拱橋，橋面寬度6.7m，下部為U型橋臺，實體橋墩，擴大基礎.根據檢測資料，結構基本完好，承載力能滿足二級公路設計要求.屬于文獻［7］中加固改造技術指標1的情況.

加寬加固主要措施:原橋部分:(1)開挖橋面，進行18cm厚C40防水砼橋面鋪裝，同時在其下增設10cm厚C30砼調平層，要求橋面標高不得低于原橋面標高;(2)開挖后，對局部松散的拱腔填料進行灌漿處理，對老橋砂漿脫落部分進行修補，裂縫處進行灌漿處理;(3)施工前在老橋拱圈頂、拱腳及1/4拱處設置觀測點，施工過程中發現異常立即停止，處理后才能繼續進行，施工時嚴禁車輛通行.

加寬部分:(1)上部采用2×8m鋼筋砼現澆整體空心板，下部采用U型橋臺、柱式橋墩，擴大基礎;(2)在原拱橋上游側加寬4.42m，在加寬部分墩臺間設置2cm縱向沉降縫，橋面連成整體，沉降縫增設加強鋼筋;(3)橋面橫坡通過墩、臺帽、墊石和橋面鋪裝層形成;(4)墩臺基礎奠基于巖層上，要求墩臺基礎不得同時施工，基礎開挖時，在接近老橋基礎1m以上時盡量采用跳槽式施工，距離老橋基礎1.5m左右暫不開挖，待外側基礎開挖到位并施工完后，再進行開挖到位，并立即組織施工，如發現老橋基礎有塌空現象，應進行注漿及其他加固處理.本橋的加固改造方案如圖1所示.

圖1 曾家橋加固改造方案(單位:cm)

根據施工完成后一段時間的觀察，新加固的部分與原結構連接牢固，受力分布均勻，能夠形成為—個較好的整體.沉降縫增設加強鋼筋有效解決了不同結構變形和沉降不統一的情況.材料的加強處理使得拱圈沒有發生進一步開裂，有效地提高了承載力，延長了該橋的使用壽命.

3.3 木家橋

實腹式圓弧石拱橋，凈跨徑為10.5m，橋寬7.6m，主拱圈厚40cm，矢跨比 f/L0=1/7，下部為 U型橋臺，擴大基礎.根據外業調查情況對老橋部分橋面板及防撞墻進行改造，改造方案在原橋下游側加寬2.99m，加寬部分和原橋之間設2cm的縱向沉降縫.改造后全橋寬10.52m.屬于文獻［7］中加固改造技術指標2的情況.

加寬加固的主要措施:(1)拆除原橋防撞墻，挖除原橋面，并對主拱圈采用環氧膠泥止縫，橋面鋪裝采用18cm厚C40防水砼;(2)加寬部分上部采用1×11.90m現澆鋼筋砼空心板，橋面橫坡由橋面鋪裝調整，橋面標高由拱頂填料厚度和橋面鋪裝共同調整;下部采用U型橋臺，擴大基礎;(3)在上游側橋臺處設置一道GQF－C(40)型伸縮縫，下游側橋臺處設置橋面連續;(4)橋臺基礎施工時，按局部小規模開挖的原則以防止橋臺坍塌，基坑開挖到位后及時澆筑砼并回填至地面標高;新老基礎間設沉降縫，如施工過程中發現老橋基礎有垮空或松散現象應及時進行注漿處理.本橋的加固改造方案如圖2所示.

該橋經過加固以后改善主拱圈的不良受力狀況，整體承載力得到了很大的提高，交通量也有提升.這種加固方案，即保持了原橋的美觀性，又有效地利用了新的建筑材料，達到了預期的目的，節約了大筆的資金，經濟效益明顯.

圖2 木家橋加固改造方案(單位:cm)

3.4 其他

山溪鋪橋、團山橋、雙江橋、樹咀橋等屬于文獻［7］中加固改造技術指標3的情況.

山溪鋪橋為1×6m的石拱橋，重力式臺擴大基礎，主拱圈厚0.3m，主拱圈混凝土脫落，橋臺開裂，基礎有沖刷現象，泄洪不能滿足設計要求，拆除重建.

團山橋為1×6m的石拱橋，重力式臺擴大基礎，主拱圈厚0.4m，拱圈混凝土脫落嚴重，橋臺有裂縫.老橋兩側較難展線，平面無法利用老橋，拆除重建.

雙江橋為1×6.9m的石拱橋，重力式臺擴大基礎，主拱圈厚0.4m，拱圈砼脫落，且拱頂有下沉現象，拆除重建.

樹咀橋為1×8.5m的石拱橋，重力式臺擴大基礎，主拱圈厚0.5m，主拱圈上裂縫較多.本橋處于曲線段內，老橋外側陡坎，平面無法利用，縱斷面也無法利用，拆除重建.

4 結束語

(1)本文結合實例淺析了圬工拱橋加固改造機理，指出改變拱橋各構件的重度和高度是提高病害拱橋的承載力的有效措施;

(2)本文闡述了石拱橋常見的加固改造措施，并用于實際中小跨徑石拱橋的加固改造，得到了較好的結果，對中等跨徑或大跨徑石拱橋的加固改造具有指導意義;

(3)對于石拱橋的加固改造利用，需綜合分析技術指標、經濟指標等因素，再選取合適的加固改造方案.石拱橋加固改造往往不是一種加固技術的應用，而是多種加固技術相互配合使用.

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