大跨徑輕型石砌肋板拱橋加固技術研究*

2022-04-13 11:40:50鐘正強劉宇

公路與汽運 2022年2期

鐘正強，劉宇

(長沙理工大學土木工程學院，湖南長沙 410114)

輕型石砌板肋拱的主要特點是輕型，為減少圬工數量、大幅度降低造價，該結構從新的平鉸拱和連拱理論出發，力求在構造上減輕自重并充分發揮聯合作用。輕型石砌肋板拱橋的施工工藝、理論計算方法及結構構造和傳統石拱橋相比都有很大區別。傳統石拱橋拱圈截面多為矩形，材料為塊石，而輕型石砌肋板拱橋拱圈截面為山形、凸形，采用小石子砼砌塊片石和方塊石鑲面。輕型石砌肋板拱和傳統石拱橋相比平均體積減少約35%，造價降低40%；與鋼筋砼梁橋結構相比，造價降低25%～50%。輕型石砌肋板拱橋大多建于20世紀八九十年代，至今已服役三四十年。了解輕型石砌肋板拱橋目前的承載能力狀況并對其進行加固改造，使其滿足現有交通需求，對在役輕型石砌肋板拱橋的正常使用及管理養護具有重要意義。

1 工程概況

湖南懷化地區辰溪縣柿溪大橋為中國首座輕型石砌肋板拱橋，建成于1979年。該橋建成后，輕型石砌肋板拱橋在湘西自治州及江西、四川等地得到大力推廣。

該橋全長100 m，橋面全寬7.6 m、凈寬6.6 m，設計標準為汽-15級，單幅雙向兩車道。上部結構為1×60 m輕型石砌肋板拱，主拱圈形式為懸鏈線。主拱圈采用山形截面，中間肋板高1.3 m，邊緣肋板高0.75 m。腹拱為凈跨徑6.0 m、厚0.35 m等截面圓弧拱，拱上立墻厚0.4 m，立墻設置2個人行孔。拱頂橫斷面布置見圖1。

圖1 柿溪大橋拱頂橫斷面布置(單位：cm)

2 輕型石砌肋板拱加固設計

2.1 原橋承載能力評定

按照JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》，選取2種最不利荷載組合計算該橋主拱圈內力。荷載組合Ⅰ為1.2恒載+1.4汽車荷載+0.75×1.4×0.7降溫15 ℃；荷載組合Ⅱ為1.2恒載+1.4汽車荷載+0.75×1.4×0.7升溫15 ℃。計算結果顯示：控制截面在2種荷載組合作用下的抗力小于荷載效應值，表明該橋荷載等級不滿足現有交通需求，需對該橋進行提質改造。

2.2 加固設計

按式(1)計算，得該橋加固層厚度為0～0.15 m。

(1)

式中：H為新拱圈截面厚度；l0為拱橋凈跨；k為系數，荷載等級為公路-Ⅱ級時k=1.05，荷載等級為公路-Ⅰ級時k=1.15。

根據現場實際情況，提出2種主拱圈加固方案：1) 主拱圈拱背填平。拆除橋面鋪裝、主拱圈拱頂填料及側墻；對主拱圈拱背截面進行鉆孔植筋，澆筑C35鋼筋砼，澆筑后截面高1.3 m(與原拱圈中間肋齊平)；重砌拱頂側墻，填筑輕質陶粒C20砼，施作橋面鋪裝[見圖2(a)]。2) 主拱圈拱底套拱。將拱圈底面鑿毛，通過鉆孔植筋的方式在主拱圈底面布設鋼筋網，澆筑15 cm厚C35鋼筋砼[見圖2(b)]。

圖2 拱頂加固設計示意圖(單位：cm)

采用這2種加固方案，拱腳截面和拱頂截面承載能力及偏心距在2種荷載組合作用下均能滿足要求。限于篇幅，僅給出主拱圈驗算應力值(見表1和圖3)。

圖3 2種加固方案下截面上下緣應力

表1 加固前后主拱圈應力值 MPa

2.3 加固方案對比分析

2.3.1 受力性能

根據模型計算結果，采用主拱圈拱背填平和主拱圈拱底套拱2種加固方案對該橋進行加固后，其承載能力都滿足現有交通荷載要求，對橋梁結構受力都有一定改善。由表1可知：加固后，拱圈上下緣應力均有所減少，特別是在拱腳上緣位置。采用拱背填平方案時，拱腳上緣位置最大應力為-0.75 MPa，和原橋相比降低4.76 MPa，約占原結構應力的86.4%；采用拱底套拱方案時，拱腳上緣位置最大應力為-2.43 MPa，和原橋相比降低3.08 MPa，約占原結構應力的55.9%。另外，拱背填平方案將原橋填料更換為輕質陶粒C20砼，拱上建筑恒載大幅減小，結構承受的自重也相應減小。

2.3.2 施工條件

采用主拱圈拱底套拱加固方案，除需在拱座設置鋼圍堰外，還需搭設滿堂支架，施工較麻煩；主拱圈底面需配置鋼筋網，砼澆筑不僅施工困難，而且砼密實度無法保證；下緣砼澆筑無法確保能和原主拱圈完全聯結為一個整體共同參與受力。主拱圈拱背填平方案施工較簡單，僅需在拱座處設置鋼圍堰，而且加固部分能與原結構較好地聯結為一個整體。

2.3.3 經濟適用性

主拱圈拱背填平方案不需搭設滿堂支架，和拱底套拱方案相比工程造價更低。但拱上側墻重砌及輕質陶粒填料更換時需封閉橋梁，對當地交通有一定影響。

2.3.4 加固方案確定

從受力性能、施工條件及經濟適用性方面綜合分析，采用主拱圈拱背填平方案對橋梁進行加固，結構受力性能改善更明顯，工程造價更低，故選用該方案進行加固。