在役石拱桥的钢－混凝土组合结构加固法*

郭风琪，余志武

(中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

作为传统文化遗产的石拱桥存在已数千年，经久不衰。在近代公路交通中，仍然发挥着重要的作用。据统计，在湖南省的公路桥梁中，石拱桥有近4 000 座，总长18 万多米［1］。

随着交通运输业的快速发展，公路负荷日益加重，以致众多石拱桥存在不同程度的承载能力不足、长期带病(害)工作的现状。同时，为适应新形势下的交通要求，这些桥梁往往需要进行提载处理，因此，加固工作迫在眉睫。

1 工程概况

陈家溪大桥位于永定大道上，中心桩号为K0+126.85，与河流夹角为65°，荷载等级为汽车－20级，挂车－100。桥梁全长(轴线长度)62.6 m，桥宽为42 m。上部结构为2 m×23.473 m等截面石砌板肋拱，矢跨比1/8。下部构造桥墩为实体式桥墩，基础为扩大基础;桥台为重力式桥台。

由于车辆超载严重，且缺乏养护，出现明显病害。经检测，原老桥存在以下病害:主拱圈、腹拱圈局部开裂，砂浆不饱满，有少量空洞，桥面板和人行道破损。同时，因城市道路改造，设计荷载也需提高到公路I级。基于以上原因，必须对该桥进行加固。

2 加固方案

石拱桥常用加固方法有增大截面、减轻恒载、改变结构体系、增加辅助构件等。经过现场调查和分析，该桥初拟加固方法为，腹拱圈采用钢丝网喷射高强复合砂浆方法进行补强，而对主拱圈，则提出3种方案进行技术经济比较。

2.1 主拱圈加固方案

在进行具体加固方案比选时，提出了3种方案加固主拱圈:(1)采用180 mm厚钢筋混凝土加固拱肋下缘;(2)采用钢－混凝土组合截面加固拱肋下缘，混凝土厚120 mm，钢板厚16 mm;(3)采用粘贴钢板法加固拱肋下缘，钢板条带尺寸为6 mm×200 mm，间距200 mm。

通过对比陈家溪桥加固前后的基频变化，从表1中可以看出，采用钢－混凝土组合结构加固，与原结构相比，基频提高幅度最大，说明刚度增加最有效。

另外，对3种加固方法进行详细内力与应力对比分析，由于数据较多不一一列出，分析表明，前2种加固方法效果较好。而且湖南省的轻型石拱桥大多在施工时坐浆不密实，或在运营过程中剥落，拱底往往凹凸不平，采用粘钢加固法很难保证粘结可靠，因此将粘钢加固方法予以否定。考虑到为减少对陈家溪过水断面的影响，大桥净空减小越少越好，最终采用钢－混凝土组合结构加固方案。因新增混凝土层断面狭窄且处于主拱圈下方，采用传统方法难以振捣，容易形成缺陷，设计改为采用浇筑自密实混凝土，在保证混凝土质量的同时，缩短了施工时间，减少了劳动强度，也改善了工作环境和安全性［2］。

表1 陈家溪桥加固前后基频变化对比Table 1 Comparison table of pitch variation before and after reinforcement of Chenjiaxi bridge Hz

2.2 钢－混凝土组合结构加固方案

主拱圈的加固采用在钢板上焊接栓钉，在主拱圈上植筋，在钢板与原主拱圈截面之间新浇自密实混凝土，通过混凝土的连接和栓钉与植筋的相互咬合形成共同受力的钢－混凝土组合截面，断面布置见图1。

图1 加固后主拱圈断面布置Fig.1 Arrangement of the section of reinforced main arch

2.3 加固施工方法

在对桥梁进行加固施工时，首先将原拱底用钢刷刷毛，并用水冲洗干净;在石砌体中呈梅花状或矩形网格状植筋，植筋时应保证植在石料上，避免植在灰缝中。在加固钢板上画线确定栓钉位置，如与植筋位置冲突，应局部调整错开。加固钢板通常在工厂焊接成要求的弧度，可整体制作安装，或分条带制作，在施工现场整体安装。植筋与栓钉间需布置钢筋网片，为固定钢筋网片，可与部分植筋点焊，但需注意植筋的降温保护，以免损害植筋胶的作用。在加固钢板安装到位后，在原结构与加固钢板间浇筑自密实混凝土，使新老结构成为整体［3－4］。

加固施工时，钢板可作为混凝土模板，从而减少了投资，大大加快了施工速度;同时由于钢板外包在拱圈的最外面，因此不存在圬工裂缝外露的问题。钢板的防锈问题则可以通过表面刷防锈漆来解决［5］。

3 结构受力分析计算

3.1 有限元建模方法

(1)混凝土与钢板间的黏结摩擦作用机理十分复杂，因此在有限元模型中不模拟该作用，而将其作为结构的安全储备［6］。

(2)栓钉被混凝土握裹，其相互作用机理除了黏结摩擦外，还有接触相互作用。计算时，划分栓钉为2段梁单元，单元节点在x，y和z3个方向与同位置混凝土块体元的平移自由度耦合，保证了栓钉和混凝土块体单元的共同工作。

(3)混凝土材料采用多线性等向强化模型(MISO)，应力—应变曲线采用Hongnestad公式计算，强度准则采用 William － Warnkel理论［7－8］。钢材采用双线性随动强化模型(BKIN)，屈服后的弹性模量按1%屈服前弹性模量取值。表2为钢—混凝土组合结构的材料及力学性能参数。

表2 结构材料及力学性能Table 2 Structural materials and mechanical properties

3.2 有限元模型的建立

圬工及混凝土模型均采用SOLID65实体单元模拟，该单元可表现材料脆性断裂，当拉应力超过材料强度后，能够在垂直应力方向形成弥散型裂缝，并相应降低结构刚度和释放开裂区域的应力，从而模拟本桥原设计的“平铰”计算方法;栓钉采用BEAM188空间梁单元模拟;钢板采用SHELL181板单元模拟。全桥三维有限元模型如图2所示。

图2 陈家溪桥有限元模型Fig.2 Finite element model of Chenjiaxi bridge

3.3 加固前后桥梁结构计算

在结构的自重、二期恒载、公路I级汽车荷载及温度荷载作用下，经计算，陈家溪桥加固前多处截面出现拉应力，最大为 1.05 MPa，最大挠度15.58 mm，不能满足规范要求。经组合结构法加固后，最不利应力和挠度(挠度仅包括加固二期恒载和汽车荷载)计算结果见表3和图3～图4(图中x坐标以一跨的一侧拱脚做为坐标原点)，其中主拱上缘应力突变是由于立墙的缘故。可以看出，加固后，在公路I级的荷载作用下，主拱圈全断面均为压应力，挠度小于L/2 500，均满足规范和设计要求，承载力和刚度均较原结构有较大程度提高。

表3 加固后主拱圈最不利应力和挠度Table 3 Most unfavorable stress and deflection of reinforced main arch

图3 加固后主拱上下缘应力Fig.3 Upper and lower margin stress of reinforced main arch

图4 加固后主拱最大挠度Fig.4 Maximum deflection of reinforced main arch

4 加固后效果

通过加固后桥面铺装良好，主拱线形匀称平顺，行车舒适性提高。同时全桥的静动载试验结果显示，在公路I级汽车等效荷载作用下，计入结构自重和二恒后，全桥最大应力 －0.38 MPa，最小应力－3.86 MPa，跨中挠度最大 7.22 mm，残余值 0.12 mm，在试验荷载作用下的实测值均小于理论计算值;一阶自振频率9.22 Hz，大于理论值。表明该桥在加固后整体工作性能良好，处于弹性工作状态，结构刚度满足规范要求，承载能力满足设计要求，各项指标均满足规范要求。图5为陈家溪旧桥立面图，图6为陈家溪桥加固后立面图，图7为拱底组合结构钢板的照片，通过对比可以看出，此桥的加固工程不仅使结构上得到改良，在外观上也得到美化。

图5 陈家溪旧桥立面图Fig.5 Elevation drawing of Chenjiaxi old bridge

图6 陈家溪桥加固后立面图Fig.6 Elevation drawing of reinforced Chenjiaxi bridge

图7 陈家溪桥拱底组合结构钢板Fig.7 Composite structure plate on arch bottom of Chenjiaxi bridge

5 结论

通过对桥梁加固后结构性能的分析和计算，以及加固后的荷载试验与近3年的运营，不但充分说明了钢－混凝土组合加固技术是安全可行的，而且与其他加固方法相比，其还具有多方面的优势:

(1)钢－混凝土组合结构加固方法增加截面高度较小，对原桥的净空影响不大，有利于行洪;

(2)对石拱桥拱圈的平整度没有要求，便于加固且共同工作效果好;

(3)对拱圈的截面承载力和刚度提高明显;

(4)钢板的使用更好地控制了裂缝的发展，避免了裂缝的外露;

(5)钢板可以作为模板，混凝土湿作业量小，施工简便，造价较低;

(6)加固后结构外观效果好。

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