套拱加固小跨徑石拱橋的研究與應用

葛 健 （安徽省城鄉規劃設計研究院，安徽 合肥 230601）

0 前言

自古以來，石拱橋在我國的應用就十分廣泛，其橋型典雅優美，富有歷史的厚重感，跨越能力強、承載能力高[1]。因此，石拱橋的數量眾多，是現今許多山區公路、風景區、公園等中、小橋常采用的橋型。但是，隨著使用年限的增加，作用荷載的增加和增大，拱橋病害也不斷增多，使得拱橋的結構承載力不足，因而不能繼續滿足交通需求。如果采取新建橋梁則不但增加成本，而且費時，甚至對交通造成嚴重影響。故在完成對石拱橋的結構檢測后，針對受損程度較輕，尚有繼續服役空間的橋梁進行維修加固。

拱橋的拱圈曲率變化較快，采用預應力技術對其進行主動加固的難度很大。故現如今石拱橋的加固方式仍以被動加固為主。在被動加固中，最普遍的是對拱背或拱腹進行套拱以增大原石拱圈截面的方法，其對于提高拱圈的承載力效果顯著，且易于施工、加固費用較低[2]。

文中針對小跨石拱橋，以2座橋梁加固項目為背景，針對橋梁各自的特點，對拱背套拱和拱腹套拱2種方法進行方案優選分析。并對套拱加固在結構計算時的假定及荷載分配的估算方法進行闡述，為實際工程應用時選擇加固方案提供參考意見。

1 工程概況

以下是分別對西皋大橋和南長嶺橋的結構形式和主要的病害情況進行的介紹。

1.1 西皋大橋

西皋大橋位于霍邱縣Y152鄉道上，該路采用四級公路技術標準，單向1車道，路面寬3.5m，設計荷載汽-15。橋梁跨灃東干渠，上部結構為3×10.00m空腹式圬工拱橋；下部結構為重力式墩臺、擴大基礎；水泥混凝土橋面，橋梁全寬5.30m，橋面凈寬4.20m，橋梁全長45.00m。

該橋主要病害：橋面鋪裝存在嚴重的坑槽和縱橫向裂縫以及欄桿大面積混凝土破損，銹脹，主、腹拱圈普遍滲水，拱圈局部破損，部分欄桿缺失。

1.2 南長嶺橋

南長嶺橋位于S217蔡雄路K11+851處，該路采用二級公路技術標準，雙向2車道。該橋建成于1965年，1990年進行加寬改建，荷載等級為汽-15。上部結構為1×6.00m實腹式圬工拱橋；下部結構為重力式橋臺、擴大基礎；瀝青混凝土橋面，橋梁全寬13.80m，橋面凈寬12.80m，橋梁全長14.20m。該橋右側寬7.60m，左側寬5.20m，左側為后加部分。且該橋于2018年被檢測單位評為四類橋。

該橋主要病害：左側主拱圈出現2處豎向開裂，并向主拱圈底面和拱上側墻延伸，0#臺左側側墻存在2條豎向裂縫。

2 拱圈套拱的方案比選

2.1 西皋大橋（拱背套拱）

西皋大橋經過長時間的使用及水的滲入，混凝土鋪裝層下的半剛性填料已軟化為柔性材料，混凝土鋪裝層由承壓傳力結構轉變為受彎橋面板結構，再加上其厚度小、單層配筋，抗彎強度低，故出現多處開裂、露石子、麻面的現象。經過近數十年的使用，欄桿各桿件混凝土嚴重碳化，鋼筋普遍銹脹，多處斷裂，局部缺失。由于橋面系存在的多處病害，故使得橋梁主拱圈、腹拱圈及拱上立墻及橋臺前墻出現多處滲水。

由于該橋主體結構的病害均以滲水及其造成的圬工破損為主，為了提升老橋上部結構的整體防水性能，適當提高空腹式圬工拱橋的整體性與承載力。考慮到該橋主體結構并沒有出現明顯的拱圈開裂，拱圈的病害主要以圬工體的破損為主，故拱腹、拱背套拱的選擇主要由哪種方案能夠對提高空腹式圬工拱橋結構的整體性更為顯著而決定。若采用拱背套拱，從理論上，可以直接提高空腹式圬工拱橋的拱上剛度；從施工實際，可以由上而下沿重力方向澆筑混凝土，保證混凝土的澆筑密實度及與原石拱圈的貼合度；從經濟上，由于該橋橋面系病害嚴重，需拆除拱腔填料及整個橋面系，故采用拱背套拱不會增加橋面系拆除成本。綜上所述，該橋設計采用拱背套拱增大拱圈截面的方法。

具體加固方案：在挖除原全橋橋面鋪裝層及拱上填料后，對全橋主拱圈拱背澆筑平均不小于10cm厚的自密實防水混凝土附加拱圈。附加拱圈于各拱上立墻處應有效連接。在橋墩立墻及橋臺前墻底面處增加混凝土塊體以平衡附加拱圈拱腳水平力，混凝土塊體應做散水處理。附加拱圈與橋墩臺和拱上立墻的新舊混凝土接觸面應清理干凈，保證新舊混凝土的有效結合。且對全橋所有腹拱圈的拱背、拱上立墻根部高30cm的范圍涂刷防水層。

圖1 西皋大橋拱背套拱加固

2.2 南長嶺橋（拱腹套拱）

南長嶺該橋建成于1965年，又于1990年進行了加寬改建，使用時間較長，且于2013年已經做橋臺基礎襟邊加固處理。由于設計時的荷載等級為汽-15，且拱底已出現U型裂縫，橋臺亦產生不均勻沉降，大大降低了橋梁承載力。若維持現狀將存在較大的安全隱患，故需采用增大拱圈截面加固處理。

由于該橋主體結構的病害以石拱圈U型裂縫為主為主，橋面鋪裝并無明顯病害，且橋梁跨徑較小，橋梁凈空只有2.8m。考慮該橋拱圈厚度較薄，為40cm，且已經存在基礎不均勻沉降的病害。若在采用拱背套拱之后，橋臺沉降繼續發展，附加套拱可能不但對提高橋梁承載力收效勝微，反而增大了原石拱圈的上部荷載。此外，該橋最薄處的拱腔填料只有20cm，故從經濟上考慮，采用拱背套拱方案需抬高橋面高程，增加了橋頭接線及拆除重做橋面鋪裝的工程造價，且中斷交通近3周，對周邊居民生活造成較大影響。綜上所述，該橋設計采用拱腹套拱增大拱圈截面的方法。

圖2 南長嶺橋拱腹套拱加固

具體加固方案：在主拱圈拱腹增設一個20cm厚的混凝土套拱，并于兩端橋臺基礎頂各增設一個30cm厚的前墻，用以承托套拱的荷載。套拱施工時建議采用自密實混凝土，其技術指標且應符合《自密實混凝土應用技術規程》的相關規定[4]。原橋的橋臺前墻及石拱圈需植入錨固鋼筋，錨固鋼筋間距均為40cm，深度均為10cm。在進行主拱圈加固之前務必對已產生的裂縫預先采用環氧樹脂膠泥封閉。

3 套拱組合截面的荷載分配估算

平截面假定適用的理想條件是純彎曲條件，對于以彎曲變形為主的混凝土直梁，或者說高跨比較小的直梁可認為平截面假定成立。而對于由石材和混凝土這2種材料構成的拱梁，根據結合面的粘結程度，可將該組合截面分為滿足平截面假定和不滿足平截面2種情況。

無論是拱背套拱還是拱腹套拱，考慮小跨徑石拱橋的拱圈厚度較小，錨筋的直徑、分布密度及錨入深度不能太大，否則容易損傷原石拱圈。故采用錨筋的方法提高套拱與石拱的粘結，使結合面縱向纖維傳遞剪力的能力有限。所以針對小跨徑石拱橋的套拱加固時，當錨筋只作為構造及定位鋼筋時，可保守地認為組合截面存在相對滑移，不滿足平截面假定，且應分別計算石拱及混凝土拱對上部荷載產生的效應。

即使2種材性的拱圈無法滿足平截面假定，若假定拱圈厚度在變形前后不發生變化，則通過簡單的變形作圖可見，該組合截面依然符合變形協調的基本假設[6]。針對套拱加固的施工工藝，有2種荷載情況：第一種是在拆除部分拱上建筑及橋面系后，澆筑套拱，而后重做橋面系；第二種是保持原拱上建筑不動，直接在石拱圈下搭設拱架、拱盔，澆筑混凝土套拱。故對于加固后的組合截面，前者受部分二期恒載及人車活載，后者只受人車活載的作用。無論是哪種加工工藝，都有：

式中，ω1為下拱的跨中位移；ω2為上拱的跨中位移；ω為組合截面跨中豎向位移。

研究表明，雖然拱是曲桿，但在用力法求解跨中豎向位移時發現曲率對變形的影響一般很小，可以忽略不計。因此，可利用虛功原理，按直桿的位移計算公式來求系數和自由項：

對于一般拱橋，常有矢跨比大于1/5且拱頂截面高度小于0.1倍跨徑的拱圈結構尺寸。故對于這一多數情況，通常可忽略軸向變形和剪切變形，只考慮彎矩的影響。即計算跨中豎向位移時，可根據直梁的撓度公式對兩種材料的拱圈所承擔的上部荷載的權重進行估算。以單跨兩鉸組合截面拱圈（上拱石材、下拱鋼筋混凝土）所受均布荷載為例，推導過程如下：

式中，q為由汽車活載、加固后的二期恒載和其他活載組成的總線荷載；qm為下拱所分配的線荷載；qc為上拱所分配的線荷載；Em為石拱圈彈性模量；Ec為鋼筋混凝土拱圈彈性模量；Im為石拱圈截面慣性矩；Ic為鋼筋混凝土拱圈截面慣性矩。

求解這個方程組可便可求得qm/qc=EmIm/EcIc。即，外力的分配與截面抗彎剛度成正比。若新增加固層的材料采用C30混凝土，彈性模量Ec＝30000MPa，原主拱圈采用MU40的塊石，彈性模量Em＝8500MPa[5]。可見由于加固層混凝土的彈性模量較砌體的彈性模量大，所以加固層能夠承擔更大的荷載。所以在設計時應注意單獨復核混凝土套拱在所分配得的線荷載作用下，其強度和剛度是否滿足現行規范要求。

綜上所述，石拱圈套拱加固即使因錨筋不足而造成結構計算不滿足平截面假定，僅靠兩種材料間的變形協調，其提高拱圈承載力的效果仍然較為顯著。若附加拱圈加固后，這2種拱圈之間存在縫隙，即混凝土拱圈和石拱圈的貼合度不高，則滿足不了變形協調的假設。那么，若為拱背套拱，會造成混凝土拱圈承載力不足，引起混凝土拱圈開裂破壞；若為拱腹套拱，則會造成無法直接增加原石拱圈承載力，只起到二道防線的作用。故推薦在施工套拱加固時，使用自密實混凝土，以助于提高混凝土拱圈和石拱圈的貼合度，確保加固效果。

4 小結

①拱背及拱腹套拱在小跨徑石拱橋加固的工程應用中各有其優缺點。通過運用2種套拱方式，對霍邱西皋大橋和旌德南長嶺橋分別在加固條件及效果、施工難度、交通影響、工程經濟等方面進行比選分析，可為其他類似舊橋加固提供參考依據。

②以組合截面不滿足平截面假定，但滿足變形協調為基本假設，對套拱加固后新舊拱圈的上部荷載分配的估算方法進行闡述，并給出基本計算思路。同時證明，石拱圈套拱加固即使因錨筋不足而造成結構計算不滿足平截面假定，若能保證2種材料在受荷時緊密貼合，該加固方法仍然能顯著提高原橋拱圈承載力。