石拱橋加固技術(shù)分析

武 文 靜

(山西長治公路勘察設(shè)計院，山西 長治 046000)

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石拱橋加固技術(shù)分析

武 文 靜

(山西長治公路勘察設(shè)計院，山西 長治 046000)

結(jié)合國道208線司莊二橋的病害特點，從三鉸拱豎向位移和連拱效應(yīng)兩方面，分析了該橋病害的產(chǎn)生原因，并提出了將原橋拱型腹拱拆除，換作板式腹拱的拱橋加固技術(shù)，保證了橋梁運營的安全性。

橋梁，連拱效應(yīng)，板式腹孔，加固措施

0 引言

空腹式拱橋拱上建筑的腹孔形式大致分為兩類，一類是拱式腹拱，另一類是梁板式腹孔。本文以國道208線司莊二橋加固設(shè)計為工程背景，通過計算分析提出一種將原橋拱式腹拱圈改為板式腹孔的加固方案。

1 工程概況

司莊二橋位于208國道長治市武鄉(xiāng)縣境內(nèi)的昌源河上，建成于1996年。原橋設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為汽車—20級，掛車—100，橋面全寬9.5 m(2×0.5+8.5)，橋長188.39 m。原橋拱上建筑采用空腹式拱型腹孔結(jié)構(gòu)，腹拱跨徑為5 m，腹拱厚為0.35 m，腹拱墩(橫墻)采用圬工砌體，寬度為1 m。引橋采用3.8 m和5 m兩種跨徑的板橋，長治方向邊跨由于上跨省道東長線，采用了1-13 m簡支空心板，引橋橋墩為寬度1 m和1.5 m的漿砌塊石，U型橋臺整體式擴大基礎(chǔ)。

2 原橋病害原因分析

2.1 原橋病害

該橋修建于1996年， 2006年發(fā)現(xiàn)原石砌三鉸腹拱勾縫脫落、砌石松動，特別是長治方向的三鉸拱，由于拱石松動脫落導(dǎo)致腹拱上橋面出現(xiàn)沉降變形等病害。對此，同年曾進行過一次加固，加固方案是將原橋石砌三鉸腹拱圈改造成混凝土三鉸腹拱，但改造完成投入運營后，在2010年年底發(fā)現(xiàn)長治方向三鉸腹拱拱頂變形縫出現(xiàn)明顯的沉降，兩個半拱間錯臺達2 cm～3 cm，冬季低溫時達3 cm～5 cm，左側(cè)鑲嵌的拱頭石最大沉降達10 cm左右，特別是在冬季氣溫較低時，還能聽見腹拱圈變形縫中夾著的木板發(fā)出“吱吱”的響聲，由于腹拱的錯位變形，致使該腹拱頂?shù)幕炷翗蛎嬉伯a(chǎn)生多條橫向裂縫，車輛通過時，斷裂的混凝土橋面板形成“翹翹板”現(xiàn)象，使得該三鉸腹拱上橋面顫動嚴(yán)重，在橋面上能聽到明顯的跳車聲音，進而加劇了三鉸拱的錯位，加重了腹拱的病害。

2.2 病害原因分析

通過計算和分析，病害主要原因是三鉸拱豎向位移不滿足規(guī)范要求和連拱效應(yīng)。

2.2.1 三鉸拱豎向位移

對原橋結(jié)構(gòu)按照原設(shè)計時采用的荷載等級進行了驗算，經(jīng)驗算，在汽—20級荷載作用下，主橋太原和長治方向的兩個三鉸拱拱頂截面強度滿足承載能力極限狀態(tài)的要求，但兩個方向的兩個三鉸拱拱頂位置在最不利荷載的作用下產(chǎn)生的豎向位移值均大于規(guī)范規(guī)定的限值，不滿足該處截面正常使用極限狀態(tài)的要求。由于橋位處晝夜溫差大，冬季溫度低，根據(jù)原結(jié)構(gòu)模型按照結(jié)構(gòu)整體降溫20 ℃考慮，長治與太原方向的三鉸拱下?lián)现捣謩e13.6 mm,11.6 mm，與大橋在低溫時產(chǎn)生的病害情況基本相符。另外該橋在2006年改造完畢后，交通量劇增，混合交通量由原來的3 000輛/d增加為8 000輛/d左右，且大部分為重載車輛，活載的增加也是導(dǎo)致腹拱拱頂豎向位移量增加的原因之一。

驗算截面位置圖見圖1。

2.2.2 連拱效應(yīng)

司莊二橋長治方向引橋由5-5 m的連拱與1-13 m的板構(gòu)成，通過現(xiàn)場病害勘察及橋梁理論模型計算，均發(fā)現(xiàn)長治方向的病害遠比太原方向嚴(yán)重。連拱的顯著特點是各拱跨結(jié)構(gòu)與橋墩一起共同作用，多孔拱橋在荷載作用下，橋墩和拱跨結(jié)構(gòu)都會產(chǎn)生彈性變形，各拱結(jié)點會產(chǎn)生水平位移和轉(zhuǎn)角。單拱上的荷載傳至拱腳產(chǎn)生豎向壓力和水平推力，連拱的中間各個拱腳左右來的水平推力因方向相反，大小相等而平衡，沒有水平位移，只剩下豎向壓力傳遞給基礎(chǔ)。但司莊二橋長治方向最后一個連拱與一孔板式橋相連，在單向墩上勢必會產(chǎn)生水平位移，通過連拱效應(yīng)傳至主橋腹拱。一般而言，橋墩相對拱圈愈細柔，拱墩節(jié)點的水平位移愈大，連拱的影響愈顯著；反之，橋墩相對拱圈愈剛勁，節(jié)點水平位移愈小，連拱的影響亦愈小。僅當(dāng)橋墩相對拱圈的剛度接近無限大時，在荷載作用下，各拱墩節(jié)點才不會產(chǎn)生變位。但在實際中橋墩的剛度不可能為無限大，司莊二橋采用寬度為1 m的圬工砌體橋墩，在這種情況下，肯定會受到連拱作用的影響。

3 加固措施

為徹底解決腹拱圈的病害問題，本次加固的設(shè)計方案是將原腹拱圈、拱上填料和橋面鋪裝全部拆除，相應(yīng)接長原腹拱墩，將拱上建筑由原來的拱型腹孔改為板式腹孔，即腹拱“換板”，重做橋面鋪裝和鋼筋混凝土防撞墻。同時保證“換板”前后拱上建筑的恒載基本不變，確保采用原橋相同的拱軸系數(shù)。

3.1 原拱上空腹段的恒載計算

以一孔腹拱沿橫向1 m作為計算單元，如圖2所示，取腹孔結(jié)構(gòu)材料容重r1=24 kN/m；拱上填料容重r2=20 kN/m。

一個腹拱重：P1=46.937 5+34.607 9+57.522 5+24.026 1=163.094 0 kN。

P2=46.937 5+34.607 9+59.094 3+24.386 9=165.026 6 kN。

P3=46.937 5+34.607 9+62.693 1+24.928 0=169.166 5 kN。

P4=46.937 5+34.607 9+65.836 7=147.382 1 kN。

橫墻重：

作用在腹拱墩上的集中力：

P28=4.486 1+(147.382 1×0.5)=78.177 2 kN。

3.2 換板后的恒載計算

以一孔腹拱沿橫向1 m作為計算單元，如圖3所示，取混凝土容重r3=25 kN/m；鋼筋混凝土容重r4=26 kN/m；瀝青混凝土容重r5=23 kN/m。

接長腹拱墩重：1×0.26×25=6.5 kN;

新建墩帽重：1.2×0.7×25=21.0 kN;

鋼筋混凝土板重：6×0.4×26=62.4 kN;

混凝土橋面鋪裝重：6×0.1×26=15.6 kN;

瀝青混凝土鋪裝重：6×0.1×23=13.8 kN;

一孔腹拱總重：6.5+21.0+62.4+15.6+13.8=119.3 kN。

作用在腹拱墩上的集中力：

P25=193.593 9+119.3=312.893 9 kN;

P26=114.446 7+119.3=233.746 7 kN;

P27=55.255 5+119.3=174.555 5 kN;

3.3 板式腹孔與拱型腹孔恒載對比

由3.1,3.2分別計算出拱型腹孔與板式腹孔的恒載，并計算出相應(yīng)腹拱墩上的集中力，“換板”前后拱上建筑恒載對比見表1。

表1 “換板”前后拱上建筑恒載對比表 kN

3.4 腹拱墩配重計算

各腹拱墩需要增設(shè)的厚度如下：

1號腹拱墩需要增設(shè)的厚度:

d=44.760 3/26/8.435=0.204m。

2號腹拱墩需要增設(shè)的厚度:

d=47.796 6/26/5.137 2=0.358m。

3號腹拱墩需要增設(shè)的厚度:

d=38.974 3/26/2.670 9=0.561m。

4號拱座需要增設(shè)的厚度:

d=14.038 1/26/1.010 1=0.535m。

將原橋腹拱換成板式腹孔并作相應(yīng)的配重后見圖4。

4 結(jié)語

由于橋梁病害的多樣性，在國內(nèi)外也形成了各種不同的加固方法，針對橋梁不同部位的病害，在橋梁加固設(shè)計時，設(shè)計者應(yīng)該結(jié)合工程實際情況，進行充分的病害實地調(diào)查，通過認(rèn)真的分析與計算，對不同橋梁不同病害提出科學(xué)的加固方案，從而使加固方案做到技術(shù)上安全可靠，造價上經(jīng)濟合理，質(zhì)量上經(jīng)久耐用。

[1] JTJ 021—1989，公路橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 高冬光.公路橋涵設(shè)計手冊[M].北京：人民交通出版社，2000.

The study on the reinforcement technology of bridge

Wu Wenjing

(ShanxiChangzhiHighwaySurveyDesignInstitute,Changzhi046000,China)

Combining with the diseases features of Sizhuang Second Bridge along the National Line 208, the paper analyzes the reasons for the diseases of the bridges from the triple hinged vertical displacement and multiple arch effect, and points out the demolition of the web arch of the former bridge with the slab arch, so as to ensure the safety of the bridge operation.

bridge, multiple arch effect, slab abdominal hole, reinforcement measure

1009-6825(2017)10-0191-03

2017-01-23

武文靜(1984- )，女，工程師

U445.72

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