既有石拱桥的加固技术研究
2015-06-23
随着我国国民经济的发展，公路交通量也不断快速增长。桥梁作为公路的重要组成部分，其承载力也因此面临着日益增大的荷载的挑战。随着桥梁结构的不断破损、老化，这种矛盾也日益显现并逐渐加剧，各种桥梁结构病害也随之而来。尤其是那些结构存在问题、设计理论不成熟以及施工经验不足的桥梁问题更为突出。
石拱桥由于其节省材料、受力合理以及外形优美的特点，在二十世纪七八十年代的公路建设中得到了大量采用。但是随着时间的推移，许多旧石拱桥设计标准低，施工质量差，随着交通量不断增长，重型车大量增加，超载、超限运输严重，这些桥梁渐渐出现了拱圈、桥台开裂等各种严重病害，给桥梁的安全运营带来隐患。目前，很多石拱桥已成为危桥，对车辆的正常运行造成严重影响。因此，对石拱桥的维修加固展开研究工作具有十分重要的实际意义。
1 工程概况及主要病害
该石拱桥竣工于二十世纪九十年代初。该桥上部结构型式为4×22 m的石拱桥；下部结构为浆砌片石墩台，扩大基础；桥面铺装采用水泥混凝土，无伸缩缝。桥面横向布置为1.25 m（人行道）+9.0 m（机动车道）+1.25 m（人行道）。净矢高：fn=3.273 m；净矢跨比：fn/ln=1/6.24；拱轴线：悬链线，m=2.117528；主拱圈宽度：b=6.5 m；主拱圈厚度：d=0.65 m；腹拱圈宽度：b1=6.5 m；腹拱圈厚度：d1=0.35 m；主拱圈及腹拱圈均采用M7.5砂浆砌MU30号片石该桥总体布置情况如图1所示。
通过对桥梁进行外观检查，桥梁病害主要存在以下几个方面：①几乎所有腹拱圈出现开裂现象，裂缝超限；②主拱圈出现横向裂缝；③拱脚、拱腰渗水结晶；④桥面及搭板裂缝修补厚重新开裂；⑤人行道板表面砂浆已经破坏，栏杆破损严重，主要表现为立柱混凝土剥落、露筋、倾斜，栏杆多处构件缺损、整榀栏杆外倾等。
2 既有石拱桥结构检算
该桥竣工于二十世纪九十年代初，为跨径4×22 m的联拱桥，鉴于该桥的结构特性，在检算过程中，第一步依据《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》（JTJ 022-85）进行抗推刚度计算，第二步依据外观检查结果确定检算系数，第三步是按照《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》（JTJ 022-85）进行结构检算。
考虑到该桥结构为矩形板拱，横桥向没有偏心，结构检算时取单位拱宽来进行建模计算，恒载和活载按均摊于拱圈宽度来进行计算，抗推刚度计算结果如表1所示。
由表1可知，该桥主墩和主拱圈的抗推刚度之比为48.73，大于37，故该桥按照单孔进行计算。而根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》，并结合外观检查结果，综合确定本桥检算系数为0.95。
该桥单孔跨径组合为22 m，采用空间计算程序Midas2010对全桥进行模拟。主拱圈和腹拱圈采用空间梁单元模拟，桥面板采用虚拟梁单元模拟，桥面板与主拱圈之间的连接采用弹性连接进行模拟。全桥共98个节点，90个单元，全桥结构离散如图2所示。
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG 021-89）及《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》（JTJ 022-85），结构检算结果如表2及表3所示。
计算结果表明，由于超重车辆和温降等，无论是拱脚截面还是拱顶截面最大弯矩工况对应的轴力计算值均超过极限抗力值，不满足规范要求。而通过应力检算，拱桥上缘最大拉应力为0.84 MPa，下缘最大压应力为4.55 MPa，均超过规范限制，是产生裂纹的主要原因。
3 维修加固方案确定
桥梁维修加固方法和技术很多，但不外乎是从提高结构自身抗力和减轻结构恒载两个角度对桥梁进行加固补强，常用的加固方法包括：粘贴碳纤维布加固、粘钢（板）法加固、外包混凝土加固、锚喷混凝土加固等。
由于该桥的拱脚裂纹较多，结构抗力不满足要求。根据对加固方法的比选，采用复合主拱圈加固技术：原主拱圈拱腹增设钢筋混凝土拱板形成复合主拱圈，通过复合主拱圈的协调变形和共同作用来承担后期荷载，增大主拱圈强度和刚度，提高桥梁承载能力。
具体施工工序包括：①原主拱圈拱腹增设钢筋混凝土肋拱加固；②桥台前墙设钢筋混凝土板加固，同时作为新增钢筋混凝土拱圈的拱座；③采用密封胶封闭腹拱圈纵向裂缝；④重新修补桥面铺装裂缝；⑤修复破损人行道；⑥疏通泄水孔，确保桥面排水系统功能良好；⑦墩台前墙采用钢筋混凝土板（厚25 cm）加固，高度方向延伸到基础顶。
其中，主拱圈拱腹增设钢筋混凝土肋拱加固的具体措施：在原桥主拱圈底部现浇4道高45 cm，宽100 cm的C30钢筋混凝土肋拱，及5道高45 cm，宽50 cm的C30钢筋混凝土横系梁；靠拱脚一个腹拱处的主拱圈背面现浇15 cm厚C30钢筋混凝土，以提高主拱圈拱脚处抵抗负弯矩的能力，对腹拱圈裂缝采用密封胶进行封缝。施工中应注意的是，为了使新加拱圈与老拱圈更好的连接成为一个整体，需要在老拱圈表面凿毛，如发现拱圈实际状况与方案不符，应及时调整，主拱圈加固立面及平面图分别如图3、图4所示。 4 桥梁维修加固效果的评估
根据《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22-2008），按下列两个阶段进行加固计算：
第一阶段：浇混凝土层达到强度标准值之前，按照老拱圈截面计算，荷载考虑原桥自重在内的恒载、现浇混凝土层自重及施工荷载。
第二阶段：浇混凝土层达到强度标准值后，拱圈按照加固后整体截面进行计算，作用（荷载）考虑包括加固后拱圈自重在内的恒载、二期恒载及使用阶段的可变作用。加固后拱脚及拱顶截面最大弯矩工况极限承载能力计算结果如表4及表5所示。
计算结果表明，无论是拱脚断面还是拱顶断面，承载能力均有大幅度提高，满足规范要求。与此同时，在汽车-20级及挂车-100作用下挠度计算结果如表6所示。
由表6可知，原拱圈在汽车荷载作用下，静活载挠度值接近规范限值，加固后静活载挠度明显降低，满足规范要求。
5 结 论
石拱桥的加固改造是旧桥、危桥改造的一项重要内容，而桥梁的加固改造对桥梁结构寿命有着显著的影响。理想的加固改造技术应该是尽少地改变桥梁结构原貌及附属设备；尽少地阻碍交通；提供足够的承载能力，且具备应有的耐久性及经济性。
对本桥而言，通过对比加固前后该桥的承载能力、静活载挠度值等各项指标。采用复合主拱圈加固技术达到了增加拱圈刚度、强度，提高桥梁承载力、防水蚀、抗风化的目的。于此同时复合主拱圈加固施工工艺简单，造价低，工期短，不影响交通，不污染环境，能够有效提高旧桥承载力，具有显著的经济效益和社会效益，可供类似桥梁加固提供借鉴。
