以承載力修正為基礎的石拱橋加固設計

摘 要：石拱橋是用天然石料為主要建筑材料的拱橋，外形美觀、結構簡單，造價低廉，具有較高的承載能力，在我國擁有較高的歷史。據調查，石拱橋占據我國全部橋梁的60%以上，其中，80%以上石拱橋分布在縣鄉村。然而，時間的推移，交通量的增大，石拱橋病害現象越來越多，為行人帶來一定的風險。為提高行人安全性，筆者以承載力修正為基礎，利用自身工作經驗，簡述了石拱橋的加固設計。

關鍵詞：承載力評估 承載力檢算 加固設計

中圖分類號：U442 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）09-0-01

近年來，國家加大了縣鄉村公路橋梁的改造，其中，涉及較多的工程為石拱橋的改造，對于需要改造的石拱橋，因其分布廣泛，全部拆除重建將耗費極大成本、人力與物力，哪怕依靠國家力量，也很難完成[1]。筆者認為，應積極評估石拱橋的承載力，檢算石拱橋的極限承載力，勘查工程實際工況，以修正承載力為基礎，對石拱橋加固設計，以此提高石拱橋的安全性，延長石拱橋壽命，降低工程成本。

一、石拱橋承載能力評估方法

1.實物調查比較法

實物調查比較法，是人們評估石拱橋承載能力的主要方式之一，是一種以實際交通情況檢定石拱橋承載力的動態求法。具體做法如下：在石拱橋改造之前，相關人員對石拱橋進行長期觀測，通過石拱橋觀察石拱橋每日通過車輛、車輛種類，計算石拱橋承受荷載，通過計算石拱橋各部位撓度跨中數據，或者最大撓度處的應變、應力、裂縫等情況的相關數據，將數據制作表格，比較車輛載重以及其對應撓度、應力等，以此分析橋梁承受的荷載等級。

2.綜合評估法

綜合評估法，主要是利用分層分塊再綜合的思維方式對石拱橋的承載能力進行評估。在橋梁結構的承載力評估中，一般來講，首先，依照橋梁結構將評價目標進行劃分，使其成為多個評價因素；其次，對橋梁各部分的承載力以及影響承載力的因素進行評價；最后，依照評價過程中權重的變化，將其分為變權綜合、常權綜合兩種，通過對橋梁安全性分析，了解石拱橋的承載力。

二、石拱橋極限承載力檢算

根據規程：JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗規程》相關規定，可直接利用檢算系數Z1，截面折減系數數false，兩者折減，最終檢算出石拱橋極限承載力。在石拱橋極限承載力檢算中，檢算系數Z1主要是由石拱橋結構的材料強度、缺損情況、結構自振頻率三方面確定，截面折減系數false主要由石拱橋風化、化學與物理損傷兩項指標確定，規程內已經給出相關依據[2]。

另外，也可以使用有限元軟件，利用荷載增量加載、位移增量加載等模式計算橋梁的極限承載力。在極限承載力開始檢算之前，需要先行設置較大負荷，控制較小的增量加載，在計算發散之前，能夠達到最大增量步的荷載代表橋梁的極限承載力。

三、以承載力修正為基礎的石拱橋加固設計

某地區生產石料，在開挖溝渠，修建拱橋時，石拱橋成為首選，當地建設了大量石拱橋。經過多年發展，因自然環境以及外力影響，石拱橋逐漸老舊，承載力下降，面對日益增多的車輛，石拱橋改造設計成為重點。

1.工程概況

在本地區，某單跨實腹式石拱橋建設日久，是當地重要輸送通道，石拱橋的日益老舊，已經無法承載大型運輸車，每次運輸時，運輸車只能繞較遠路程，對此，改造橋梁，提高橋梁承載力，勢在必行。提高承載力，便利車輛過往。須知，該石拱橋全場25.0m，橋跨布置12.0m，橋凈矢高為3.1m，主拱圈厚0.5m，寬為5.5m，橋寬5.5m，行車道寬為5.0m。石拱橋上部結構為：主拱圈、實腹式拱上建筑。主拱圈砌體厚度0.5m，凈跨12.0m，下部包含有：橋臺、基礎構成。橋臺為重力式橋臺，石拱橋全部由條石建成。橋面鋪設有水泥混凝土，道路兩側安裝有鐵質欄桿1.25m*0.25m，現已存在缺失，伸縮縫、人行道等未設置。

2.加固設計

勘測人員對橋梁詳細勘查后，在原拱圈下套建一座拱圈，增大構件截面積，以此起到加固橋梁承載力的效果。新建拱圈以C30水泥混凝土澆筑，砌體厚度為0.35m，寬為5.5m，拱圈兩側厚度為0.15m；鑿出原護欄，以C25水泥混凝土作為原料，澆筑標準的護欄帶，提高橋梁安全性。

在橋梁改造施工前期，首先選擇M20普通水泥混凝土，充分攪拌為砂漿，將砂漿填補僅石拱橋裂縫、坑洼處，提高石拱橋的質量；其次填充密實后，利用相關設備在拱橋基礎拱腳處開挖，判斷拱橋基礎是否為基巖，若基礎為土方，則應設置牛腿，錨固新拱圈；若基礎為石方，可直接將拱圈與基巖錨固在一起；最后在新舊拱圈之間設置錨固鋼筋，使新舊拱圈連為一體。

注意：在橋梁改造加固過程中，應避免車輛通行，橋梁加固完畢后方可通車，若必須通車，應控制車速在10km/h以下，且車輛重量不超過5t。

3.加固后受力分析

橋梁加固完畢后，為查看橋梁改造質量是否達到設計要求，相關人員利用有限元模擬分析對加固后的主拱圈承載力進行計算。在實際施工中，因新拱圈很難與原拱圈完全固結，形成有機整體，然而，在分析加固后橋梁受力情況時，多是以加固前計算模型為基礎，在主拱圈外部增加鋼筋混凝土加固層單元，計算出的數據與實際情況存在差異。對此，在模型中，應將加固層與原拱圈進行剛性連接。因恒載、移動荷載、結構自振頻率都會影響檢算結果，因此，充分考慮上述情況。另外，在橋梁改造中，活載公路為Ⅱ級，人群荷載為3.5kN/m，考慮一次成橋受力情況，最終計算得知，通過在原拱圈下建設新拱圈，并將兩者進行錨固后，橋梁承載能力富余量達到65.6%-81.0%，橋梁整體強度岷縣提高，滿足了橋梁設計要求。由此可見，加固效果良好。

結束語

因行駛需求，對橋梁進行加固，在本工程中，相關人員在主拱圈下建設新拱圈，并將兩者錨固為一個整體，有效提高了橋梁的承載力。在文章中，筆者簡述了綜合評估法、實物調查比較法兩種橋梁承載力的計算方法，簡單敘述了橋梁極限承載力的檢算，以實際工程為例，展開加固設計，加固完畢后計算得知，本次橋梁改造效果良好，可見該種加固方式的可靠與高效。

參考文獻

[1]張晶. 鋼筋混凝土套箍加固石拱橋力學性能試驗研究[D]. 西南交通大學， 2013（24）：120-120.

[2]公路橋梁荷載試驗規范（JTG/T J21-01-2015）

作者簡介：鄭舜元（1997.4-），男，漢族，籍貫：廣西壯族自治區桂林市 ，學歷：本科，研究方向：道路與橋梁專業。