基于靜動載試驗的某石拱橋套拱加固效果分析

■賴道斌

（1.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福州 350025；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州 350025）

石拱橋是一種歷史悠久的橋型，在我國得到了廣泛的應用，近年來，許多缺乏養護的老舊石拱橋已無法承載日漸增長的交通荷載量，加固改造迫在眉睫[1]。 石拱橋的加固方法主要有增大截面、粘貼鋼板、調整結構體系、增加體外預應力、鋼套箍加固等，內套拱加固作為最常見的加固方法之一，屬于增大截面的一種，通常是在原有石拱圈下方增加鋼筋混凝土拱圈或拱肋，新舊結構相互聯結形成組合結構共同承擔活載，提高橋梁承載能力[2]。 經套拱后結構是否能達到預期的加固效果，關系到橋梁后續能否安全有效運營，具有重要意義。 因此，本文通過對某套拱加固的石拱橋進行病害檢查及靜動載試驗，分析其加固效果，供同類工程參考。

1 工程概況

某石拱橋建于1989 年，橋梁全長305 m，主跨為4×60 m 的石拱橋，橋面橫向布置為1.55 m 人行道+11.0 m 機動車道+1.55 m 人行道。上部結構為凈跨徑60 m 的漿砌塊石懸鏈線主拱圈， 拱圈厚度1.2 m，矢跨比1/6，每跨拱上設6 個砌石腹拱，下部結構采用漿砌塊石墩臺、擴大基礎，橋面系為22 cm厚的C30 水泥混凝土鋪裝， 橋跨布置如圖1 所示。設計荷載等級為汽車-20 級、掛車-100。

圖1 橋梁立面布置圖

經過20 多年的運營之后， 該橋主拱圈出現局部滲水泛白、砌石開裂，腹拱圈出現縱橋向、橫橋向貫通開裂，墩身存在豎向貫通開裂，其中3# 墩開裂尤其嚴重， 且墩身底部砌縫砂漿被流水掏空脫落。養護單位于2015 年對該橋病害較嚴重的第3、4 跨進行加固，主要加固內容為：在原石拱圈內側增設5道鋼筋混凝土拱肋，每道拱肋寬1.0 m、高1.2 m；對2# 墩、3# 墩、4# 墩采用套箍外包混凝土進行加固；對腹拱圈及拱上側墻進行砌縫修復。

2 加固運營后橋梁的病害調查結果

2.1 未加固橋跨

由于該橋僅對病害較嚴重的兩跨進行加固，再次投入運營5 年后，未加固的橋跨病害出現了一定程度的發展。 第1 跨、第2 跨主拱圈與拱上側墻間砌縫局部開裂脫落，主拱圈拱腹出現了更大面積的滲水泛白，拱腹縱向裂縫增多，其中第1 跨新增7 條，第2 跨新增4 條，縫長約0.7～4.2 m，最大縫寬測讀值為0.22 mm；第2 跨拱腳出現砌石開裂、砌縫砂漿缺失；1# 墩墩身底部砌縫砂漿被流水掏空脫落。

2.2 加固橋跨

第3 跨、第4 跨套拱加固后，經5 年運營，加固套拱拱肋側面出現較多豎向裂縫， 縫寬0.10～1.10 mm，拱肋底面在1/4L～3/4L 間出現較多橫向裂縫，部分與側面裂縫貫通，縫寬0.10～0.20 mm。 2#墩、3# 墩加固混凝土出現共31 條豎向裂縫， 縫長2.5～3.3 m，縫寬0.30～1.30 mm。

3 橋梁靜力荷載試驗

3.1 有限元模型

采用Midas/Civil 建立全橋有限元模型，按連拱進行計算，并考慮拱上建筑的聯合作用。 主拱圈、腹拱圈、拱上立墻、橋墩等均采用梁單元模擬，其中，加固后的拱圈取原石拱圈為標準層，將加固混凝土套拱按剛度等效原則進行換算，形成組合截面參與計算[3]。 全橋有限元模型如圖2 所示。

圖2 全橋有限元模型

3.2 荷載效率

靜載試驗以原設計荷載汽車-20 級、掛車-100為控制荷載， 根據主拱圈控制截面內力等效原則，換算成三軸加載重車進行加載， 使加載效率滿足JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗規程》[4]的規定。 試驗選取第2 跨未加固拱圈及第3 跨加固拱圈為試驗對象，以便對加固效果進行對比分析，加載工況及荷載效率如表1 所示。

表1 各工況試驗內容及荷載效率

3.3 試驗測試結果

在試驗橋跨跨中截面及1/4L 截面橋面布置撓度測點， 每測試截面沿橫橋向布置3 個撓度測點；在試驗跨跨中截面、1/4L 截面及拱腳截面主拱圈底面布置應變測點，每測試截面沿橫橋向布置2 個應變測點。 本試驗不考慮橫向偏載，故同一截面各個測點的實測結果相近，取其平均值進行分析。 撓度測試結果如表2 所示，應變檢測結果如表3 所示。

表2 撓度測試結果

表3 應變測試結果

在第3 跨加固拱圈跨中側面豎向裂縫處布置跨縫應變計（圖3），測試荷載作用下裂縫的工作狀態。 在工況四（即第3 跨跨中截面正彎矩）滿載作用下，應變觀測結果如表4 所示。

圖3 裂縫測點布置圖

表4 裂縫測點測試結果

3.4 結果分析

由試驗測試結果可知：（1）在各工況荷載作用下，控制截面的撓度與應變校驗系數在0.36～0.94，均小于1.0，相對殘余值在0%～8.24%，均小于20%，表明現狀結構與設計理論相比仍具有一定的安全儲備，且橋跨結構卸載后恢復良好， 彈性工作狀態較好。（2）經套拱加固后，跨中及1/4L 截面撓度實測值下降幅度分別為29.4%、41.7%，跨中、1/4L 及拱腳截面實測應變值下降幅度分別為61.5%、62.5%、56.1%，可見套拱加固后結構的變形及應變都有大幅的下降，結構剛度得到了較大的提高。 （3）試驗荷載作用下，加固套拱跨中側面豎向裂縫出現一定的縫寬發展，卸載后縫寬恢復情況較好，但縫寬的發展呈“上大下小” 的形態， 未見常規受力裂縫的發展狀態。（4）未加固橋跨的撓度與應變校驗系數在0.36～0.73，套拱加固橋跨的校驗系數在0.86～0.94，可見加固后雖然撓度和應力實測值有所下降，但是加固后的校驗系數卻偏高，可能原因在于：一是套拱拱肋底面存在橫向貫通裂縫，導致其剛度降低；二是加固后新舊結構由于收縮特性不同，導致結合面的整體性不甚理想，加固后的協同工作性能較整體截面有一定差距。

4 橋梁自振特性試驗

根據原設計及加固圖紙建立有限元模型，分析橋跨結構在加固前與加固后的理論基頻、 理論振型。 采用環境隨機振動法測定全橋自振特性，在每跨跨中及立墻上方各布置1 個拾振傳感器，采集風荷載等隨機振動下橋跨的微幅響應， 通過頻譜分析，獲取橋梁結構的實測基頻及振型[5]。 橋梁加固前理論振型如圖4 所示，第3 跨、第4 跨加固后，全橋的理論與實測振型如圖5、圖6 所示，橋梁基頻匯總如表5 所示。

圖4 橋梁加固前理論振型圖

圖5 橋梁第3、4 跨加固后理論振型圖

圖6 橋梁第3、4 跨加固后實測振型圖

表5 橋梁基頻理論值與實測值 (單位：Hz)

結果表明，加固后橋梁的實測振型與理論振型較為吻合， 加固橋跨的振動幅值有大幅的降低，套拱加固使結構剛度有了較大的改善；加固后，橋梁基頻較未加固橋跨有較大提高，且實測值大于理論值，即橋跨現狀整體剛度大于理論值。

5 結語

該工程為4 跨石拱橋，對其中2 跨進行套拱加固，對比加固橋跨與非加固橋跨的試驗檢測結果，可見加固橋跨控制截面的撓度、 應變均有大幅降低，結構剛度增大，加固效果良好。 后續使用中可考慮以下建議：（1）未加固主拱圈病害有所發展，拱腳局部存在砌縫砂漿缺失、砌石劈裂，有壓碎現象，可對第1 跨、 第2 跨主拱圈采用增大截面的方式進行加固。（2）第3 跨、第4 跨套拱拱肋出現裂縫，形成原因可能為裂縫區域未采用收縮混凝土，落架前降溫產生的拉應力超過混凝土的抗拉應力而產生裂縫，應對裂縫進行封閉處理并加強定期觀測。