在役石拱橋的鋼－混凝土組合結構加固法*

郭風琪，余志武

(中南大學土木工程學院，湖南長沙 410075)

作為傳統文化遺產的石拱橋存在已數千年，經久不衰。在近代公路交通中，仍然發揮著重要的作用。據統計，在湖南省的公路橋梁中，石拱橋有近4 000 座，總長18 萬多米［1］。

隨著交通運輸業的快速發展，公路負荷日益加重，以致眾多石拱橋存在不同程度的承載能力不足、長期帶病(害)工作的現狀。同時，為適應新形勢下的交通要求，這些橋梁往往需要進行提載處理，因此，加固工作迫在眉睫。

1 工程概況

陳家溪大橋位于永定大道上，中心樁號為K0+126.85，與河流夾角為65°，荷載等級為汽車－20級，掛車－100。橋梁全長(軸線長度)62.6 m，橋寬為42 m。上部結構為2 m×23.473 m等截面石砌板肋拱，矢跨比1/8。下部構造橋墩為實體式橋墩，基礎為擴大基礎;橋臺為重力式橋臺。

由于車輛超載嚴重，且缺乏養護，出現明顯病害。經檢測，原老橋存在以下病害:主拱圈、腹拱圈局部開裂，砂漿不飽滿，有少量空洞，橋面板和人行道破損。同時，因城市道路改造，設計荷載也需提高到公路I級。基于以上原因，必須對該橋進行加固。

2 加固方案

石拱橋常用加固方法有增大截面、減輕恒載、改變結構體系、增加輔助構件等。經過現場調查和分析，該橋初擬加固方法為，腹拱圈采用鋼絲網噴射高強復合砂漿方法進行補強，而對主拱圈，則提出3種方案進行技術經濟比較。

2.1 主拱圈加固方案

在進行具體加固方案比選時，提出了3種方案加固主拱圈:(1)采用180 mm厚鋼筋混凝土加固拱肋下緣;(2)采用鋼－混凝土組合截面加固拱肋下緣，混凝土厚120 mm，鋼板厚16 mm;(3)采用粘貼鋼板法加固拱肋下緣，鋼板條帶尺寸為6 mm×200 mm，間距200 mm。

通過對比陳家溪橋加固前后的基頻變化，從表1中可以看出，采用鋼－混凝土組合結構加固，與原結構相比，基頻提高幅度最大，說明剛度增加最有效。

另外，對3種加固方法進行詳細內力與應力對比分析，由于數據較多不一一列出，分析表明，前2種加固方法效果較好。而且湖南省的輕型石拱橋大多在施工時坐漿不密實，或在運營過程中剝落，拱底往往凹凸不平，采用粘鋼加固法很難保證粘結可靠，因此將粘鋼加固方法予以否定。考慮到為減少對陳家溪過水斷面的影響，大橋凈空減小越少越好，最終采用鋼－混凝土組合結構加固方案。因新增混凝土層斷面狹窄且處于主拱圈下方，采用傳統方法難以振搗，容易形成缺陷，設計改為采用澆筑自密實混凝土，在保證混凝土質量的同時，縮短了施工時間，減少了勞動強度，也改善了工作環境和安全性［2］。

表1 陳家溪橋加固前后基頻變化對比Table 1 Comparison table of pitch variation before and after reinforcement of Chenjiaxi bridge Hz

2.2 鋼－混凝土組合結構加固方案

主拱圈的加固采用在鋼板上焊接栓釘，在主拱圈上植筋，在鋼板與原主拱圈截面之間新澆自密實混凝土，通過混凝土的連接和栓釘與植筋的相互咬合形成共同受力的鋼－混凝土組合截面，斷面布置見圖1。

圖1 加固后主拱圈斷面布置Fig.1 Arrangement of the section of reinforced main arch

2.3 加固施工方法

在對橋梁進行加固施工時，首先將原拱底用鋼刷刷毛，并用水沖洗干凈;在石砌體中呈梅花狀或矩形網格狀植筋，植筋時應保證植在石料上，避免植在灰縫中。在加固鋼板上畫線確定栓釘位置，如與植筋位置沖突，應局部調整錯開。加固鋼板通常在工廠焊接成要求的弧度，可整體制作安裝，或分條帶制作，在施工現場整體安裝。植筋與栓釘間需布置鋼筋網片，為固定鋼筋網片，可與部分植筋點焊，但需注意植筋的降溫保護，以免損害植筋膠的作用。在加固鋼板安裝到位后，在原結構與加固鋼板間澆筑自密實混凝土，使新老結構成為整體［3－4］。

加固施工時，鋼板可作為混凝土模板，從而減少了投資，大大加快了施工速度;同時由于鋼板外包在拱圈的最外面，因此不存在圬工裂縫外露的問題。鋼板的防銹問題則可以通過表面刷防銹漆來解決［5］。

3 結構受力分析計算

3.1 有限元建模方法

(1)混凝土與鋼板間的黏結摩擦作用機理十分復雜，因此在有限元模型中不模擬該作用，而將其作為結構的安全儲備［6］。

(2)栓釘被混凝土握裹，其相互作用機理除了黏結摩擦外，還有接觸相互作用。計算時，劃分栓釘為2段梁單元，單元節點在x，y和z3個方向與同位置混凝土塊體元的平移自由度耦合，保證了栓釘和混凝土塊體單元的共同工作。

(3)混凝土材料采用多線性等向強化模型(MISO)，應力—應變曲線采用Hongnestad公式計算，強度準則采用 William － Warnkel理論［7－8］。鋼材采用雙線性隨動強化模型(BKIN)，屈服后的彈性模量按1%屈服前彈性模量取值。表2為鋼—混凝土組合結構的材料及力學性能參數。

表2 結構材料及力學性能Table 2 Structural materials and mechanical properties

3.2 有限元模型的建立

圬工及混凝土模型均采用SOLID65實體單元模擬，該單元可表現材料脆性斷裂，當拉應力超過材料強度后，能夠在垂直應力方向形成彌散型裂縫，并相應降低結構剛度和釋放開裂區域的應力，從而模擬本橋原設計的“平鉸”計算方法;栓釘采用BEAM188空間梁單元模擬;鋼板采用SHELL181板單元模擬。全橋三維有限元模型如圖2所示。

圖2 陳家溪橋有限元模型Fig.2 Finite element model of Chenjiaxi bridge

3.3 加固前后橋梁結構計算

在結構的自重、二期恒載、公路I級汽車荷載及溫度荷載作用下，經計算，陳家溪橋加固前多處截面出現拉應力，最大為 1.05 MPa，最大撓度15.58 mm，不能滿足規范要求。經組合結構法加固后，最不利應力和撓度(撓度僅包括加固二期恒載和汽車荷載)計算結果見表3和圖3～圖4(圖中x坐標以一跨的一側拱腳做為坐標原點)，其中主拱上緣應力突變是由于立墻的緣故。可以看出，加固后，在公路I級的荷載作用下，主拱圈全斷面均為壓應力，撓度小于L/2 500，均滿足規范和設計要求，承載力和剛度均較原結構有較大程度提高。

表3 加固后主拱圈最不利應力和撓度Table 3 Most unfavorable stress and deflection of reinforced main arch

圖3 加固后主拱上下緣應力Fig.3 Upper and lower margin stress of reinforced main arch

圖4 加固后主拱最大撓度Fig.4 Maximum deflection of reinforced main arch

4 加固后效果

通過加固后橋面鋪裝良好，主拱線形勻稱平順，行車舒適性提高。同時全橋的靜動載試驗結果顯示，在公路I級汽車等效荷載作用下，計入結構自重和二恒后，全橋最大應力 －0.38 MPa，最小應力－3.86 MPa，跨中撓度最大 7.22 mm，殘余值 0.12 mm，在試驗荷載作用下的實測值均小于理論計算值;一階自振頻率9.22 Hz，大于理論值。表明該橋在加固后整體工作性能良好，處于彈性工作狀態，結構剛度滿足規范要求，承載能力滿足設計要求，各項指標均滿足規范要求。圖5為陳家溪舊橋立面圖，圖6為陳家溪橋加固后立面圖，圖7為拱底組合結構鋼板的照片，通過對比可以看出，此橋的加固工程不僅使結構上得到改良，在外觀上也得到美化。

圖5 陳家溪舊橋立面圖Fig.5 Elevation drawing of Chenjiaxi old bridge

圖6 陳家溪橋加固后立面圖Fig.6 Elevation drawing of reinforced Chenjiaxi bridge

圖7 陳家溪橋拱底組合結構鋼板Fig.7 Composite structure plate on arch bottom of Chenjiaxi bridge

5 結論

通過對橋梁加固后結構性能的分析和計算，以及加固后的荷載試驗與近3年的運營，不但充分說明了鋼－混凝土組合加固技術是安全可行的，而且與其他加固方法相比，其還具有多方面的優勢:

(1)鋼－混凝土組合結構加固方法增加截面高度較小，對原橋的凈空影響不大，有利于行洪;

(2)對石拱橋拱圈的平整度沒有要求，便于加固且共同工作效果好;

(3)對拱圈的截面承載力和剛度提高明顯;

(4)鋼板的使用更好地控制了裂縫的發展，避免了裂縫的外露;

(5)鋼板可以作為模板，混凝土濕作業量小，施工簡便，造價較低;

(6)加固后結構外觀效果好。

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