石拱橋檢測(cè)與加固技術(shù)探析

石拱橋在我國(guó)的橋梁發(fā)展史上占有重要地位，因其特有的優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。目前，我國(guó)較大一部分石拱橋因修建標(biāo)準(zhǔn)低、營(yíng)運(yùn)荷載不斷增加等諸多原因而出現(xiàn)承載力不足現(xiàn)象，因此對(duì)石拱橋的檢測(cè)與加固研究是十分必要的。本文通過(guò)對(duì)新邵龍山風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)道路橋梁的幾座代表性石拱橋進(jìn)行檢測(cè)與加固研究分析，簡(jiǎn)要總結(jié)了在役石拱橋的檢測(cè)與加固關(guān)鍵技術(shù)，為在役石拱橋的檢測(cè)和加固提供有效的參考和建議。

引言

從古至今，我國(guó)在世界石拱橋建筑史上取得了巨大的成就，引領(lǐng)了世界石拱橋的發(fā)展方向。交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，為我國(guó)公路橋梁建設(shè)提供了良好的發(fā)展機(jī)遇。我國(guó)在20世紀(jì)60至70年代修建了大量石拱橋，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的局限性，設(shè)計(jì)荷載偏低，且在橋梁運(yùn)營(yíng)期，頻繁承載甚至超載，再加上自然環(huán)境的侵蝕，以及交通事故等人為事故的影響，造成橋梁的損傷和局部破壞。隨著使用年限的增長(zhǎng)，橋梁的損傷種類和損傷部位會(huì)越來(lái)越多，程度也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。大量的調(diào)查研究表明，一些石拱橋都存在各種病害，有的甚至傷痕累累，存在安全隱患。當(dāng)其使用價(jià)值降至安全限值時(shí)，必須通過(guò)檢測(cè)并維修加固，維持、提高其使用價(jià)值。

本文以新邵龍山風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)道路的一座四跨連拱橋?yàn)槔ㄟ^(guò)對(duì)該石拱橋進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算和分析，對(duì)石拱橋的承載能力、結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行相應(yīng)的觀測(cè)分析，提出相應(yīng)的加固方案，對(duì)在役石拱橋的檢測(cè)與加固技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的總結(jié)研究。

試驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)容

該石拱橋建于二十世紀(jì)六十年代，為石砌圬工無(wú)角實(shí)腹式石拱橋，該橋雖為跨河橋，但沒(méi)有被洪水湮沒(méi)的歷史，橋墩及基礎(chǔ)有明顯沖刷現(xiàn)象。根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21-2011），經(jīng)計(jì)算該橋技術(shù)狀況評(píng)分Dr為62.55分，橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)定為3類。由于受到當(dāng)時(shí)施工水平的限制，該橋也使用了將近四十年，為了檢驗(yàn)它是否滿足重件運(yùn)輸荷載要求，對(duì)該橋進(jìn)行了靜載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

靜載試驗(yàn)

1.靜載試驗(yàn)概述

靜載試驗(yàn)是指將靜止荷載作用在橋梁上的指定位置， 測(cè)試所設(shè)測(cè)點(diǎn)的位移、應(yīng)變等試驗(yàn)項(xiàng)目， 從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)。按試驗(yàn)?zāi)康暮蜅l件的不同， 靜載試驗(yàn)分為破壞性試驗(yàn)和非破壞性試驗(yàn)。本次靜載試驗(yàn)屬于非破壞性整體試驗(yàn)。

2.靜載試驗(yàn)的主要內(nèi)容

該橋靜載試驗(yàn)控制截面為拱頂截面和拱腳截面。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)選取邊跨的拱頂和拱腳截面按特種荷載進(jìn)行加載測(cè)試。針對(duì)以上選取的典型測(cè)試截面，該橋共取2種工況進(jìn)行加載試驗(yàn)，各測(cè)試截面相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目匯總于表1中。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于拱肋拱腳截面上緣（A、C截面）、拱肋L/2截面下緣（B截面）。采用振弦式應(yīng)變計(jì)及配套的測(cè)試儀進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試。結(jié)構(gòu)變位測(cè)試主要測(cè)量主拱圈在荷載作用下的豎向撓度。在橋面以外置一臺(tái)精密水準(zhǔn)儀，銦鋼尺分別布置在測(cè)試跨支座、L/4截面、跨中截面、3L/4截面上，采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量各工況分級(jí)加載后主拱圈的豎向撓度。

表1 測(cè)試工況及測(cè)試項(xiàng)目表

測(cè)試工況 測(cè)試項(xiàng)目 測(cè)試內(nèi)容

工況一 邊跨拱頂最大正彎矩測(cè)試 測(cè)試斷面縱向應(yīng)力、撓度及裂縫

工況二 邊跨拱腳最大負(fù)彎矩測(cè)試 測(cè)試斷面縱向應(yīng)力、撓度及裂縫

3.試驗(yàn)荷載

荷載試驗(yàn)是按試驗(yàn)荷載內(nèi)力與特種荷載內(nèi)力等效的原則，并考慮到車輛來(lái)源、組織和調(diào)配的實(shí)際情況來(lái)確定的。本次試驗(yàn)荷載采用2輛約360kN的加載車，總噸位為728.4kN，靜載效率系數(shù)在0.95～1.05之間。

由于篇幅限制，下圖僅給出各工況各控制截面的實(shí)測(cè)最大撓度與相應(yīng)的計(jì)算值及校驗(yàn)系數(shù)（見(jiàn)表2）。

表2 撓度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較

工況 位置 實(shí)測(cè)值 計(jì)算值 ?

工況一 左跨 0.00 0.00 -

L/4 0.18 0.17 1.08

2/L 0.34 0.31 1.09

3L/4 -0.05 -0.05 0.94

右跨 0.00 0.00 -

工況二 左跨 0.00 0.00 -

L/4 0.13 0.14 0.94

L/2 -0.01 0.00 1.25

3L/4 -0.03 -0.03 0.96

右跨 0.00 0.00 -

注：撓度單位為mm；主梁豎向變位以向下為“+”，向上變位為“-”；

4.結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

拱頂截面最大正彎矩的試驗(yàn)荷載作用下，各測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)在三級(jí)加載時(shí)達(dá)到1.46，不滿足規(guī)范要求。殘余撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.00～0.19之間說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)剛度尚可，回彈性能有限。根據(jù)反帝橋靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論：拱頂、拱腳截面橋梁強(qiáng)度均不滿足本次重件運(yùn)輸?shù)暮奢d要求，橋梁剛度基本滿足要求。

動(dòng)載分析

各跨測(cè)試頻率皆小于理論頻率，不滿足承載力要求。

結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

1.計(jì)算參數(shù)取值

主要結(jié)構(gòu)材料取值查《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D61-2005），結(jié)構(gòu)材料參數(shù)取值見(jiàn)表3。

表3 材料參數(shù)表

彈性模量

（MPa） 線膨脹系數(shù)α 容重（kN/m3） 抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd

（MPa） 彎曲抗拉強(qiáng)度f(wàn)tmd

（MPa）

拱肋 7.3×103 0.80×10-5 24 4.22 0.086

恒載分為一期恒載與二期恒載，其中一期恒載為自重；二期恒載為橋面鋪裝+人行道板。活載為機(jī)艙運(yùn)輸特載。按新橋規(guī)規(guī)定考慮荷載組合工況為：1.0×恒載+1.0×特種荷載。

2.承載能力極限狀態(tài)檢算

承載能力極限狀態(tài)主要計(jì)算結(jié)果如表4所示，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG /T J21-2011）及橋梁外觀檢測(cè)結(jié)果，舊橋承載力折算系數(shù)Z1取0.9。根據(jù)表4的承載能力極限狀態(tài)偶然組合驗(yàn)算結(jié)果，兩工況的拱頂和拱腳截面的承載能力均滿足重件運(yùn)輸荷載要求。

表4 承載能力極限狀態(tài)組合強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

截面 N（kN） M（kN·m） e（m） [e]（m） e ≤ [e] 抗力R（kN） 抗力是否滿足

拱頂 -2417.91 171.19 0.07 0.18 是 11403.77 是

拱腳 -2790.03 -474.32 0.17 0.18 是 5925.26 是

另外對(duì)該橋主要構(gòu)件及外觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)側(cè)墻有明顯的開(kāi)裂、滲水等現(xiàn)象，第1跨主拱圈出現(xiàn)縱向裂縫；第2跨主拱圈局部有滲水現(xiàn)象，砌體小塊剝落；第3跨主拱圈局部有風(fēng)化現(xiàn)象；第4跨主拱圈較大范圍灰縫脫落，也存在一定程度的風(fēng)化現(xiàn)象，造成砌體表面局部剝落。橋面為水泥混凝土路面，多處出現(xiàn)磨光。橋面兩側(cè)護(hù)欄為鋼筋混凝土護(hù)欄，往龍山方向的左側(cè)欄桿有豎向裂縫，兩側(cè)欄桿均出現(xiàn)蜂窩麻面等，兩橋頭錐坡護(hù)墻均較完整。

3.結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)該石拱橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算和動(dòng)靜載分析及主要構(gòu)件及外觀檢測(cè)得出：該橋不能滿足重件運(yùn)輸荷載要求，應(yīng)采取一定的維修加固措施。

加固處理

經(jīng)驗(yàn)算分析，對(duì)反帝橋采取了如下加固方案：（1）反帝橋主拱圈加固方法為在原拱圈下外掛C30混凝土（厚度為25cm），以加大拱圈面積和慣性矩，從而提高結(jié)構(gòu)承載能力的目的。為保證新加固拱圈和原拱圈更好的工作，在原拱圈中植入鋼筋，加強(qiáng)兩者之間的連接。（2）依照黑坑橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要在原拱圈之下現(xiàn)澆C30混凝土，為保證加固后的拱圈將荷載傳遞給拱座及基礎(chǔ)，現(xiàn)將原拱座和基礎(chǔ)加固。（3）拱座加固分為在原拱座（橋臺(tái)）河流側(cè)面植筋→綁扎拱座加固鋼筋網(wǎng)，并與植筋點(diǎn)焊→安裝模板澆筑C30拱座混凝土。因缺乏原基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料，加固尺寸以施工圖結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際為準(zhǔn)調(diào)整。（4）基礎(chǔ)加固分為挖基→安裝加寬基礎(chǔ)模板，澆筑C30基礎(chǔ)混凝土兩個(gè)施工步驟。因缺乏原基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料，加固尺寸以施工圖結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際為準(zhǔn)調(diào)整。為確保橋臺(tái)基礎(chǔ)施工方案正確，橋臺(tái)基礎(chǔ)開(kāi)挖施工時(shí)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)槽，確認(rèn)地質(zhì)情況。

加固后重新對(duì)該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算和全橋檢測(cè)，其強(qiáng)度得到提高，在原試驗(yàn)車輛作用下，應(yīng)力和位移明顯降低，剛度顯著增大，可以滿足通行時(shí)強(qiáng)度、剛度等要求，結(jié)構(gòu)安全可靠，證實(shí)該方法可行。

結(jié)術(shù)語(yǔ)

綜上所述，本文依據(jù)靜載試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算對(duì)實(shí)例進(jìn)行檢測(cè)與加固分析，對(duì)石拱橋存在的病害及加固處理積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，為橋梁改造工作提供了一定的參考。

（作者單位：中南林業(yè)科技大學(xué)）

作者簡(jiǎn)介：向綠林，中南林業(yè)科技大學(xué)，土木工程與力學(xué)學(xué)院，碩士研究生。