石拱桥检测与加固技术探析

石拱桥在我国的桥梁发展史上占有重要地位，因其特有的优点在我国得到广泛的应用。目前，我国较大一部分石拱桥因修建标准低、营运荷载不断增加等诸多原因而出现承载力不足现象，因此对石拱桥的检测与加固研究是十分必要的。本文通过对新邵龙山风电场进场道路桥梁的几座代表性石拱桥进行检测与加固研究分析，简要总结了在役石拱桥的检测与加固关键技术，为在役石拱桥的检测和加固提供有效的参考和建议。

引言

从古至今，我国在世界石拱桥建筑史上取得了巨大的成就，引领了世界石拱桥的发展方向。交通运输事业的发展，为我国公路桥梁建设提供了良好的发展机遇。我国在20世纪60至70年代修建了大量石拱桥，但由于当时技术的局限性，设计荷载偏低，且在桥梁运营期，频繁承载甚至超载，再加上自然环境的侵蚀，以及交通事故等人为事故的影响，造成桥梁的损伤和局部破坏。随着使用年限的增长，桥梁的损伤种类和损伤部位会越来越多，程度也会越来越严重。大量的调查研究表明，一些石拱桥都存在各种病害，有的甚至伤痕累累，存在安全隐患。当其使用价值降至安全限值时，必须通过检测并维修加固，维持、提高其使用价值。

本文以新邵龙山风电场进场道路的一座四跨连拱桥为例，通过对该石拱桥进行静动载试验、结构验算和分析，对石拱桥的承载能力、结构变形进行相应的观测分析，提出相应的加固方案，对在役石拱桥的检测与加固技术进行简要的总结研究。

试验检测内容

该石拱桥建于二十世纪六十年代，为石砌圬工无角实腹式石拱桥，该桥虽为跨河桥，但没有被洪水湮没的历史，桥墩及基础有明显冲刷现象。根据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21-2011），经计算该桥技术状况评分Dr为62.55分，桥梁总体技术状况评定为3类。由于受到当时施工水平的限制，该桥也使用了将近四十年，为了检验它是否满足重件运输荷载要求，对该桥进行了静载试验与结构验算。

静载试验

1.静载试验概述

静载试验是指将静止荷载作用在桥梁上的指定位置， 测试所设测点的位移、应变等试验项目， 从而判断桥梁结构在荷载作用下的工作状态。按试验目的和条件的不同， 静载试验分为破坏性试验和非破坏性试验。本次静载试验属于非破坏性整体试验。

2.静载试验的主要内容

该桥静载试验控制截面为拱顶截面和拱脚截面。实际试验时选取边跨的拱顶和拱脚截面按特种荷载进行加载测试。针对以上选取的典型测试截面，该桥共取2种工况进行加载试验，各测试截面相应的测试项目汇总于表1中。应变测点布置于拱肋拱脚截面上缘（A、C截面）、拱肋L/2截面下缘（B截面）。采用振弦式应变计及配套的测试仪进行应变测试。结构变位测试主要测量主拱圈在荷载作用下的竖向挠度。在桥面以外置一台精密水准仪，铟钢尺分别布置在测试跨支座、L/4截面、跨中截面、3L/4截面上，采用精密水准仪测量各工况分级加载后主拱圈的竖向挠度。

表1 测试工况及测试项目表

测试工况 测试项目 测试内容

工况一 边跨拱顶最大正弯矩测试 测试断面纵向应力、挠度及裂缝

工况二 边跨拱脚最大负弯矩测试 测试断面纵向应力、挠度及裂缝

3.试验荷载

荷载试验是按试验荷载内力与特种荷载内力等效的原则，并考虑到车辆来源、组织和调配的实际情况来确定的。本次试验荷载采用2辆约360kN的加载车，总吨位为728.4kN，静载效率系数在0.95～1.05之间。

由于篇幅限制，下图仅给出各工况各控制截面的实测最大挠度与相应的计算值及校验系数（见表2）。

表2 挠度实测值与计算值的比较

工况 位置 实测值 计算值 ?

工况一 左跨 0.00 0.00 -

L/4 0.18 0.17 1.08

2/L 0.34 0.31 1.09

3L/4 -0.05 -0.05 0.94

右跨 0.00 0.00 -

工况二 左跨 0.00 0.00 -

L/4 0.13 0.14 0.94

L/2 -0.01 0.00 1.25

3L/4 -0.03 -0.03 0.96

右跨 0.00 0.00 -

注：挠度单位为mm；主梁竖向变位以向下为“+”，向上变位为“-”；

4.结果分析

通过对试验结果进行分析，得出以下结论：

拱顶截面最大正弯矩的试验荷载作用下，各测点挠度校验系数在三级加载时达到1.46，不满足规范要求。残余挠度校验系数在0.00～0.19之间说明桥梁结构刚度尚可，回弹性能有限。根据反帝桥静载试验数据分析得出如下结论：拱顶、拱脚截面桥梁强度均不满足本次重件运输的荷载要求，桥梁刚度基本满足要求。

动载分析

各跨测试频率皆小于理论频率，不满足承载力要求。

结构验算

1.计算参数取值

主要结构材料取值查《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61-2005），结构材料参数取值见表3。

表3 材料参数表

弹性模量

（MPa） 线膨胀系数α 容重（kN/m3） 抗压强度设计值fcd

（MPa） 弯曲抗拉强度ftmd

（MPa）

拱肋 7.3×103 0.80×10-5 24 4.22 0.086

恒载分为一期恒载与二期恒载，其中一期恒载为自重；二期恒载为桥面铺装+人行道板。活载为机舱运输特载。按新桥规规定考虑荷载组合工况为：1.0×恒载+1.0×特种荷載。

2.承载能力极限状态检算

承载能力极限状态主要计算结果如表4所示，根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG /T J21-2011）及桥梁外观检测结果，旧桥承载力折算系数Z1取0.9。根据表4的承载能力极限状态偶然组合验算结果，两工况的拱顶和拱脚截面的承载能力均满足重件运输荷载要求。

表4 承载能力极限状态组合强度验算结果

截面 N（kN） M（kN·m） e（m） [e]（m） e ≤ [e] 抗力R（kN） 抗力是否满足

拱顶 -2417.91 171.19 0.07 0.18 是 11403.77 是

拱脚 -2790.03 -474.32 0.17 0.18 是 5925.26 是

另外对该桥主要构件及外观检测发现，检测发现侧墙有明显的开裂、渗水等现象，第1跨主拱圈出现纵向裂缝；第2跨主拱圈局部有渗水现象，砌体小块剥落；第3跨主拱圈局部有风化现象；第4跨主拱圈较大范围灰缝脱落，也存在一定程度的风化现象，造成砌体表面局部剥落。桥面为水泥混凝土路面，多处出现磨光。桥面两侧护栏为钢筋混凝土护栏，往龙山方向的左侧栏杆有竖向裂缝，两侧栏杆均出现蜂窝麻面等，两桥头锥坡护墙均较完整。

3.结论

经过对该石拱桥进行结构验算和动静载分析及主要构件及外观检测得出：该桥不能满足重件运输荷载要求，应采取一定的维修加固措施。

加固处理

经验算分析，对反帝桥采取了如下加固方案：（1）反帝桥主拱圈加固方法为在原拱圈下外挂C30混凝土（厚度为25cm），以加大拱圈面积和惯性矩，从而提高结构承载能力的目的。为保证新加固拱圈和原拱圈更好的工作，在原拱圈中植入钢筋，加强两者之间的连接。（2）依照黑坑桥上部结构设计，需要在原拱圈之下现浇C30混凝土，为保证加固后的拱圈将荷载传递给拱座及基础，现将原拱座和基础加固。（3）拱座加固分为在原拱座（桥台）河流侧面植筋→绑扎拱座加固钢筋网，并与植筋点焊→安装模板浇筑C30拱座混凝土。因缺乏原基础设计资料，加固尺寸以施工图结合现场实际为准调整。（4）基础加固分为挖基→安装加宽基础模板，浇筑C30基础混凝土两个施工步骤。因缺乏原基础设计资料，加固尺寸以施工图结合现场实际为准调整。为确保桥台基础施工方案正确，桥台基础开挖施工时应现场验槽，确认地质情况。

加固后重新对该桥进行结构验算和全桥检测，其强度得到提高，在原试验车辆作用下，应力和位移明显降低，刚度显著增大，可以满足通行时强度、刚度等要求，结构安全可靠，证实该方法可行。

结术语

综上所述，本文依据静载试验、结构验算对实例进行检测与加固分析，对石拱桥存在的病害及加固处理积累了一定的经验，为桥梁改造工作提供了一定的参考。

（作者单位：中南林业科技大学）

作者简介：向绿林，中南林业科技大学，土木工程与力学學院，硕士研究生。