實腹式石拱橋病害分析及加固設計

王令斌

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都　610081）

實腹式石拱橋病害分析及加固設計

王令斌

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都610081）

以一座石拱橋的加固為例，對石拱橋出現的病害原因進行分析，提出加固方法方案，并對加固后橋梁采用空間有限元方法進行內力分析，為同類型的橋梁加固設計提供借鑒和參考。

石拱橋；病害；加固；內力分析

0　引言

作為中國傳統優勢橋型的石拱橋，由于其造型優美、取材方便、造價低廉以及承載潛力大的特點，在20世紀七八十年代的公路建設中得到了大量采用。隨著時間推移和交通的迅速發展，部分橋梁由于受車輛超載、不重視管理養護、石料風化、自然災害破壞等主要因素的影響，逐漸出現了一些運營隱患，已不能滿足交通流量日益增長的需要。因此，為保證有隱患石拱橋的安全運營，提出有效的橋梁加固技術、方法，并總結橋梁加固經驗是十分必要的。

1　概況

某橋是國道上一座實腹式漿砌塊石拱橋，上部結構為上承式石拱橋，橋跨組合3×20.0 m，橋梁總長78.40 m，橋面凈寬7.50 m，下部構造橋墩為實體式橋墩，橋臺為重力式橋臺，基礎為擴大基礎。主拱拱圈為矩形等截面，主拱拱肋寬度8.6 m，截面高度為0.6 m，孔徑L0=20 m，矢高f0=3.35 m，矢跨比f0/L0=1/6.0，四次拋物線拱軸線。原設計荷載等級：汽-20級，掛-100級；人群荷載：3 kN/m2。圖1為加固前的石拱橋。

圖1　加固前的石拱橋

根據檢測單位提供的檢測資料以及現場考察，該橋主要病害及缺陷如下：（1）拱腳負彎矩開裂；（2）橫橋向中心線存在沿拱圈縱向開裂；（3）主拱圈滲水；（4）砌筑砂漿不密實、局部脫落，外部勾縫開裂；（5）橋面開裂、坑槽，護欄局部破損，排水孔堵塞。

2　橋梁病害分析

一般來說，石拱橋產生病害的原因是復雜的、多方面的，通常是幾個因素相互綜合作用的結果。對該橋主要病害進行分析，此處只分析病害產生的主要原因。

（1）拱腳開裂

由拱圈受力分析可知，由于拱頂處正彎矩最大，而拱腳處負彎矩最大，因此拱圈的橫向裂縫多發生在拱頂下緣和拱腳上緣。通常認為拱圈的橫裂是拱橋中最嚴重的病害，產生的主要原因有：a.拱圈的強度不足。隨著交通量和車輛載重的增加，拱橋結構在活載作用下，應力水平明顯變大，而既有石拱橋設計標準普遍較低，當荷載產生的應力大于拱圈截面的設計容許應力時，必然導致拱圈的橫裂。b.附加力的影響。該橋屬于拱橋中的無鉸拱，為超靜定結構，當順橋向基礎和墩臺的不均勻沉降或移動時，引起的附加彎矩是不容忽視的。

（2）拱圈縱向開裂

拱圈縱向裂縫平行于道路前進方向，拱圈縱向裂縫產生的主要原因有：a.主拱圈整體強度不足。由于主拱圈整體強度不足，造成主拱圈在壓、剪作用下發生縱向裂縫。b.基礎和墩臺位移引起的拱圈開裂。墩臺處地質條件差、拱上填土不均勻、拱上建筑不對稱等均可能造成橫橋向基礎和墩臺的不均勻沉降或移動，進而在橫橋向產生較大的附加力，從而產生從橋墩處由下向上發展到拱圈縱向裂縫。

（3）主拱圈滲水

該橋拱圈上有水滴、水流從拱石砂漿縫間滲出現象。拱上建筑填料不密實或砂漿不飽滿都可能產生拱圈滲水的病害，拱圈滲水將引起拱石軟化、強度和耐久性降低等病害出現。

（4）砌筑砂漿不密實、局部脫落，外部勾縫開裂

該病害產生的主要原因：作為填筑材料的砂漿由于自身強度低，或因風化、水蝕致使強度降低；因滲水活汽車沖擊力作用導致砂漿等砌筑材料脫落；砌石間砂漿不飽滿，有空洞。

（5）橋面開裂、坑槽，護欄局部破損，排水孔堵塞

由于橋梁養護管理不到位，橋面排水等相關措施不力和設施損壞、超重車對橋梁的損壞等原因，造成橋梁附屬設施損壞、行車道有坑槽和不平整等病害。

3　橋梁加固改造方案

該橋加固改造設計技術標準如下：（1）設計荷載：公路-II級；（2）橋面布置：維持原設計不變；（3）公路等級：二級公路，維持原設計不變。

根據檢測和計算，對該拱橋的主要病害與缺陷確定的具體加固改造方案如下：

（1）主拱拱腳補強

對主拱拱腳補強采用在該部位原構件增設碳纖維筋噴涂高強聚合物砂漿的方式進行。由病害檢查及結構的計算分析確定在第1～3孔距離拱腳截面2.0 m的范圍內采用碳纖維筋噴漿進行承載力加固，加固采用楔形截面形式，其在拱腳處的厚度取為8.0 cm，距拱腳2.0 m砂漿層厚度為2.0 cm，在距離拱腳處1.0 m范圍內布設沿拱肋軸線的雙層碳纖維筋，在其中下層碳纖維上布設橫橋向碳纖維筋，碳纖維筋間距為12.0 cm。

（2）主拱拱腹補強

對主拱拱腹片石脫落的病害，首先對片石脫落部位進行修補，然后采用碳纖維筋噴漿進行補強，碳纖維筋間距為12.0 cm。在1/4～3/4范圍內孔徑拱腹采用雙向碳纖維筋加密加固，碳纖維筋采用6.0 cm×12.0 cm網格布置，砂漿層厚度為3.5 cm。

（3）砌石砌縫壓漿封閉

采用低壓灌注水泥漿的方法進行封閉，對拱橋砌體存在砌縫砂漿不密實及脫落現象，進行灌注水泥漿處理，以增強結構的整體性和受力均勻性。

（4）修復橋面鋪裝、護欄及設置伸縮縫

重做橋面鋪裝包括三個方面的內容，在拱上填料上部現澆10.0 cm厚度橋面板，并設置鋼筋混凝土防撞護欄，且在橋梁兩端及固定墩處安裝C80型鋼伸縮縫。

4　加固改造后受力驗算

4.1計算模型

采用MIDAS CIVIL軟件進行該橋加固改造后受力分析，有限元模型離散圖見圖2。

圖2　加固改造后橋梁三維有限元模型

4.2基本組合內力結果

基本組合內力分析結果的典型作用效應見圖3～圖6。

圖3　基本組合1（min）拱圈彎矩圖（拱腳最大負彎矩）

圖4　基本組合1（min）拱圈軸力圖

圖5　基本組合2（max）拱圈彎矩圖（拱頂最大正彎矩）

圖6　基本組合2（max）拱圈軸力圖

4.3承載能力驗算結果

根據《公路圬工橋涵設計規范》（JTG D61-2005）的規定，對拱頂、拱跨3/8、拱跨1/4、拱跨1/8和拱腳5個截面進行強度驗算。具體驗算結果見表1。可以看出加固改造后各個截面偏心距和強度均滿足規范要求。

表1　加固改造后承載能力驗算結果

5　結語

該橋在本次加固改造后，經過多次實地觀察，至今運行狀態良好，未出現沉降、裂縫等問題，從質量、安全、經濟方面來看，達到了加固目的。

該橋加固工程中充分考慮了橋梁現狀情況，根據檢測報告正確分析病害原因，從而確定合理的加固方案，最終確保了橋梁結構的穩定性，提高了結構的耐久性，為石拱橋采用類似加固方案提供有效的借鑒和參考。

［1］JTG D61-2005，公路圬工橋涵設計規范［S］.

［2］JTG/T J22-2008，公路橋梁加固設計規范［S］.

［3］周建庭，劉思孟，李躍軍.石拱橋加固改造技術［M］.北京：人民交通出版社，2008.

U445.7+2

B

1009-7716（2016）06-0234-03

2016-01-26

王令斌（1983-），男，河南商丘人，工程師，從事道橋設計工作。