套拱加固小跨径石拱桥的研究与应用

2020-05-22安徽省城乡规划设计研究院安徽合肥230601

安徽建筑 2020年4期

葛健（安徽省城乡规划设计研究院，安徽合肥 230601）

0 前言

自古以来，石拱桥在我国的应用就十分广泛，其桥型典雅优美，富有历史的厚重感，跨越能力强、承载能力高[1]。因此，石拱桥的数量众多，是现今许多山区公路、风景区、公园等中、小桥常采用的桥型。但是，随着使用年限的增加，作用荷载的增加和增大，拱桥病害也不断增多，使得拱桥的结构承载力不足，因而不能继续满足交通需求。如果采取新建桥梁则不但增加成本，而且费时，甚至对交通造成严重影响。故在完成对石拱桥的结构检测后，针对受损程度较轻，尚有继续服役空间的桥梁进行维修加固。

拱桥的拱圈曲率变化较快，采用预应力技术对其进行主动加固的难度很大。故现如今石拱桥的加固方式仍以被动加固为主。在被动加固中，最普遍的是对拱背或拱腹进行套拱以增大原石拱圈截面的方法，其对于提高拱圈的承载力效果显著，且易于施工、加固费用较低[2]。

文中针对小跨石拱桥，以2座桥梁加固项目为背景，针对桥梁各自的特点，对拱背套拱和拱腹套拱2种方法进行方案优选分析。并对套拱加固在结构计算时的假定及荷载分配的估算方法进行阐述，为实际工程应用时选择加固方案提供参考意见。

1 工程概况

以下是分别对西皋大桥和南长岭桥的结构形式和主要的病害情况进行的介绍。

1.1 西皋大桥

西皋大桥位于霍邱县Y152乡道上，该路采用四级公路技术标准，单向1车道，路面宽3.5m，设计荷载汽-15。桥梁跨沣东干渠，上部结构为3×10.00m空腹式圬工拱桥；下部结构为重力式墩台、扩大基础；水泥混凝土桥面，桥梁全宽5.30m，桥面净宽4.20m，桥梁全长45.00m。

该桥主要病害：桥面铺装存在严重的坑槽和纵横向裂缝以及栏杆大面积混凝土破损，锈胀，主、腹拱圈普遍渗水，拱圈局部破损，部分栏杆缺失。

1.2 南长岭桥

南长岭桥位于S217蔡雄路K11+851处，该路采用二级公路技术标准，双向2车道。该桥建成于1965年，1990年进行加宽改建，荷载等级为汽-15。上部结构为1×6.00m实腹式圬工拱桥；下部结构为重力式桥台、扩大基础；沥青混凝土桥面，桥梁全宽13.80m，桥面净宽12.80m，桥梁全长14.20m。该桥右侧宽7.60m，左侧宽5.20m，左侧为后加部分。且该桥于2018年被检测单位评为四类桥。

该桥主要病害：左侧主拱圈出现2处竖向开裂，并向主拱圈底面和拱上侧墙延伸，0#台左侧侧墙存在2条竖向裂缝。

2 拱圈套拱的方案比选

2.1 西皋大桥（拱背套拱）

西皋大桥经过长时间的使用及水的渗入，混凝土铺装层下的半刚性填料已软化为柔性材料，混凝土铺装层由承压传力结构转变为受弯桥面板结构，再加上其厚度小、单层配筋，抗弯强度低，故出现多处开裂、露石子、麻面的现象。经过近数十年的使用，栏杆各杆件混凝土严重碳化，钢筋普遍锈胀，多处断裂，局部缺失。由于桥面系存在的多处病害，故使得桥梁主拱圈、腹拱圈及拱上立墙及桥台前墙出现多处渗水。

由于该桥主体结构的病害均以渗水及其造成的圬工破损为主，为了提升老桥上部结构的整体防水性能，适当提高空腹式圬工拱桥的整体性与承载力。考虑到该桥主体结构并没有出现明显的拱圈开裂，拱圈的病害主要以圬工体的破损为主，故拱腹、拱背套拱的选择主要由哪种方案能够对提高空腹式圬工拱桥结构的整体性更为显著而决定。若采用拱背套拱，从理论上，可以直接提高空腹式圬工拱桥的拱上刚度；从施工实际，可以由上而下沿重力方向浇筑混凝土，保证混凝土的浇筑密实度及与原石拱圈的贴合度；从经济上，由于该桥桥面系病害严重，需拆除拱腔填料及整个桥面系，故采用拱背套拱不会增加桥面系拆除成本。综上所述，该桥设计采用拱背套拱增大拱圈截面的方法。

具体加固方案：在挖除原全桥桥面铺装层及拱上填料后，对全桥主拱圈拱背浇筑平均不小于10cm厚的自密实防水混凝土附加拱圈。附加拱圈于各拱上立墙处应有效连接。在桥墩立墙及桥台前墙底面处增加混凝土块体以平衡附加拱圈拱脚水平力，混凝土块体应做散水处理。附加拱圈与桥墩台和拱上立墙的新旧混凝土接触面应清理干净，保证新旧混凝土的有效结合。且对全桥所有腹拱圈的拱背、拱上立墙根部高30cm的范围涂刷防水层。

图1 西皋大桥拱背套拱加固

2.2 南长岭桥（拱腹套拱）

南长岭该桥建成于1965年，又于1990年进行了加宽改建，使用时间较长，且于2013年已经做桥台基础襟边加固处理。由于设计时的荷载等级为汽-15，且拱底已出现U型裂缝，桥台亦产生不均匀沉降，大大降低了桥梁承载力。若维持现状将存在较大的安全隐患，故需采用增大拱圈截面加固处理。

由于该桥主体结构的病害以石拱圈U型裂缝为主为主，桥面铺装并无明显病害，且桥梁跨径较小，桥梁净空只有2.8m。考虑该桥拱圈厚度较薄，为40cm，且已经存在基础不均匀沉降的病害。若在采用拱背套拱之后，桥台沉降继续发展，附加套拱可能不但对提高桥梁承载力收效胜微，反而增大了原石拱圈的上部荷载。此外，该桥最薄处的拱腔填料只有20cm，故从经济上考虑，采用拱背套拱方案需抬高桥面高程，增加了桥头接线及拆除重做桥面铺装的工程造价，且中断交通近3周，对周边居民生活造成较大影响。综上所述，该桥设计采用拱腹套拱增大拱圈截面的方法。

图2 南长岭桥拱腹套拱加固

具体加固方案：在主拱圈拱腹增设一个20cm厚的混凝土套拱，并于两端桥台基础顶各增设一个30cm厚的前墙，用以承托套拱的荷载。套拱施工时建议采用自密实混凝土，其技术指标且应符合《自密实混凝土应用技术规程》的相关规定[4]。原桥的桥台前墙及石拱圈需植入锚固钢筋，锚固钢筋间距均为40cm，深度均为10cm。在进行主拱圈加固之前务必对已产生的裂缝预先采用环氧树脂胶泥封闭。

3 套拱组合截面的荷载分配估算

平截面假定适用的理想条件是纯弯曲条件，对于以弯曲变形为主的混凝土直梁，或者说高跨比较小的直梁可认为平截面假定成立。而对于由石材和混凝土这2种材料构成的拱梁，根据结合面的粘结程度，可将该组合截面分为满足平截面假定和不满足平截面2种情况。

无论是拱背套拱还是拱腹套拱，考虑小跨径石拱桥的拱圈厚度较小，锚筋的直径、分布密度及锚入深度不能太大，否则容易损伤原石拱圈。故采用锚筋的方法提高套拱与石拱的粘结，使结合面纵向纤维传递剪力的能力有限。所以针对小跨径石拱桥的套拱加固时，当锚筋只作为构造及定位钢筋时，可保守地认为组合截面存在相对滑移，不满足平截面假定，且应分别计算石拱及混凝土拱对上部荷载产生的效应。

即使2种材性的拱圈无法满足平截面假定，若假定拱圈厚度在变形前后不发生变化，则通过简单的变形作图可见，该组合截面依然符合变形协调的基本假设[6]。针对套拱加固的施工工艺，有2种荷载情况：第一种是在拆除部分拱上建筑及桥面系后，浇筑套拱，而后重做桥面系；第二种是保持原拱上建筑不动，直接在石拱圈下搭设拱架、拱盔，浇筑混凝土套拱。故对于加固后的组合截面，前者受部分二期恒载及人车活载，后者只受人车活载的作用。无论是哪种加工工艺，都有：

式中，ω1为下拱的跨中位移；ω2为上拱的跨中位移；ω为组合截面跨中竖向位移。

研究表明，虽然拱是曲杆，但在用力法求解跨中竖向位移时发现曲率对变形的影响一般很小，可以忽略不计。因此，可利用虚功原理，按直杆的位移计算公式来求系数和自由项：

对于一般拱桥，常有矢跨比大于1/5且拱顶截面高度小于0.1倍跨径的拱圈结构尺寸。故对于这一多数情况，通常可忽略轴向变形和剪切变形，只考虑弯矩的影响。即计算跨中竖向位移时，可根据直梁的挠度公式对两种材料的拱圈所承担的上部荷载的权重进行估算。以单跨两铰组合截面拱圈（上拱石材、下拱钢筋混凝土）所受均布荷载为例，推导过程如下：

式中，q为由汽车活载、加固后的二期恒载和其他活载组成的总线荷载；qm为下拱所分配的线荷载；qc为上拱所分配的线荷载；Em为石拱圈弹性模量；Ec为钢筋混凝土拱圈弹性模量；Im为石拱圈截面惯性矩；Ic为钢筋混凝土拱圈截面惯性矩。

求解这个方程组可便可求得qm/qc=EmIm/EcIc。即，外力的分配与截面抗弯刚度成正比。若新增加固层的材料采用C30混凝土，弹性模量Ec＝30000MPa，原主拱圈采用MU40的块石，弹性模量Em＝8500MPa[5]。可见由于加固层混凝土的弹性模量较砌体的弹性模量大，所以加固层能够承担更大的荷载。所以在设计时应注意单独复核混凝土套拱在所分配得的线荷载作用下，其强度和刚度是否满足现行规范要求。

综上所述，石拱圈套拱加固即使因锚筋不足而造成结构计算不满足平截面假定，仅靠两种材料间的变形协调，其提高拱圈承载力的效果仍然较为显著。若附加拱圈加固后，这2种拱圈之间存在缝隙，即混凝土拱圈和石拱圈的贴合度不高，则满足不了变形协调的假设。那么，若为拱背套拱，会造成混凝土拱圈承载力不足，引起混凝土拱圈开裂破坏；若为拱腹套拱，则会造成无法直接增加原石拱圈承载力，只起到二道防线的作用。故推荐在施工套拱加固时，使用自密实混凝土，以助于提高混凝土拱圈和石拱圈的贴合度，确保加固效果。