一种石拱桥增大拱圈截面加固新方法

杨再荣 安竹石

摘 要：为了避开拱圈上缘增大截面加固石拱桥破坏拱上建筑原貌的缺点，又能改善拱圈受力特性、提高拱圈承载力，提出了一种石拱桥拱圈增大拱圈截面加固方法。该方法能不仅提高了石拱桥的承载能力、使其继续服役，而且尽可能保留了其原貌。应用有限元分析软件建立模型进行模拟，分析了加固前承载力及加固后承载力。结果表明，从理论上这种增大截面加固方法不仅提高了拱圈承载力，而且没有破坏旧石拱桥的原始面貌。

关键词：加固;增大截面;拱圈;方法

中图分类号：U445.6 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）07-0133-04

A New Method of Strengthening Stone Arch Bridge by Enlarging Arch Ring Section

Yang Zairong， An Zhushi

（College of Civil Engineering， Guizhou University， Guiyang 550000， China）

Abstract：In order to avoid the shortcomings of the stone arch bridge with enlarged section on the upper edge of the arch ring to destroy the original appearance of the building on the arch， and to improve the mechanical characteristics of the arch ring and increase the bearing capacity of the arch ring， a reinforcement method of increasing the arch ring section of the stone arch bridge is proposed. This method can not only improve the bearing capacity of stone arch bridge and keep it in service， but also keep its original appearance as far as possible. The finite element analysis software is used to establish the model for simulation， and the bearing capacity before and after reinforcement is analyzed.  The results show that， theoretically， the method of increasing cross-section not only improves the bearing capacity of arch ring， but also does not destroy the original appearance of old stone arch bridge.

Key words：reinforcement; increasing section;arch ring; method

0 引言

在拱桥拱圈上腹部两侧填实土壤或粒料后铺装路面，这种拱桥称为实腹拱桥。石拱桥[1]具有取材方便、造型优美、耐久性强，石材砌体结构是一般实腹式圬工拱桥采用结构，可以将砌体分为料石砌體、毛石砌体，毛石砌体或者料石砌体作为上部结构拱圈、拱上侧墙主要材料，毛石砌体为桥台、桥墩、基础等下部结构主要材料。实腹式圬工拱桥结构用到的主要材料是石材和砂浆，在对实腹式拱桥进行加固时，常用加固方法有增大主拱圈截面面积、提高主拱圈强度、改变结构体系、减轻拱上建筑恒载等。不管是那种方法都对石拱桥的外观或多或少破坏，失去了对其历史价值的保护。灌浆加固技术系指施加一定的压力， 将某种浆液灌入结构或构件内部裂缝中， 以达到封闭裂缝， 提高拱上建筑的整体性， 恢复并提高结构耐久性和抗渗性能的一种修补方法。增大截面法[2]加固主拱圈是通过新浇筑一定厚度的拱圈，使其和原拱圈结合成一个整体共同受力。原截面的截面高度、面积、重心位置、惯性矩等截面特性在增大截面是将会被改变[3]。结合灌浆加固法和增大截面加固法各自的特点，现推出一种对实腹式石拱桥的加固工艺，在提高其承载力、延长其寿命的同时，做到对外观的保护。

1 新加固方法的设计

1.1 工程概况

其上部构造主桥为净跨径1×9.0m+1×8.5m石拱桥，下部构造桥墩为重力式桥墩，两岸桥台均为重力式U型桥台，扩大基础。桥梁设计荷载为汽-20级。桥面全宽7.5m;桥梁全长25.2m，马场大桥桥建成后所有原始资料都已经找不到，所以所有数据只能到桥现场测得。

1.2 加固方案

（1）对拱桥进行技术状况评定[4]，初步了解桥的情况。并用钻孔的方式对拱上填料进行抽检，对填料的材料和各项参数做好记录。

（2）将拱圈分成左右两部分依次施工，如图2、图3所示。在对左半部分或者右半部分进行施工时，要先从拱顶开始最后到拱脚对称施工.表面层砌块的拆除需要注意的是，拆除前要对砌块的堆砌位置用拍照、编号等方式进行记录以便后期恢复，可根据实际情况编号和选取拆除顺序。拆除砌块的面积略大于拱圈上部开挖的面积以便进行开挖操作。

（3）在进行第二步前，需要用有限元分析软件对桥梁进行建模分析，分别模拟第二步的施工过程。分析其可行性，达不到施工条件的，进行填料灌浆处理。灌浆量、灌浆位置及程序由模型分析决定。

（4）开挖完成后，对开挖孔进行清理，然后将钢筋笼安放进去，用拌好的膨胀混凝土按与挖孔的相反顺序进行对称浇筑。在进行浇筑前的需要先把拆的砌块按原来的位置堆砌，然后做模板支撑。新浇拱圈略小于原拱圈，所以在堆砌的时候需要用切割机将石块切成与砌筑位置匹配的横桥向尺寸。

（5）待达到设计强度后按相同的工艺对另外一半拱圈进行加固。

2 加固设计有限元分析[6]

2.1 增大截面原理

以主拱圈上缘增大截面进行分析，原拱圈可以认为是任意形式截面，A为其面积，I为对通过重心O的坐标轴Ox的惯性矩，S为对底边的静面矩，B为宽度。假设在截面上缘增加一个高为h'的矩形截面，如图4所示。

原截面中重心到底边的距离可以依据给出的条件算出：

Y=S/A

加固以后，组合截面总的面积为：

A'=A+Bh'

组合截面对定边新的静矩为：

所以组合截面中重心到原顶边的距离为：

Y'=S'/A'

则根据组合截面和惯性矩平移定理，组合截面对截面新坐标x'0的惯性矩为：

2.2 模型建立

根据桥位处现场情况，结合当时的修建年代，从实际桥的拱圈进行测量，原桥为净跨径1×9.0m+1×8.5m石拱桥，主拱圈厚0.4m，考虑两孔跨径不同，以跨径较大者按现场实测资料将拱轴线拟合为计算跨径9.37m、计算矢高3.18m的等截面圆弧拱计算。

拱圈按M7.5浆砌MU30块石[5]。查《公路圬工桥涵设计规范》得主要力学指标：

弹性模量5.65×103MPa、容重24kN/m3、线膨胀系数8×10-6/ ℃、轴心抗压强度设计值fcd 2.67 MPa、直接抗压强度      0.54MPa。

拱上建筑侧墙、桥面，护栏等都等代为拱上填料，拱上建筑总荷载按照分布荷载（梯形荷载）的形式直接作用到主拱圈上，填料容重取20 kN/m3。

计算时将整体桥梁简化为裸拱圈[7]受力模型，平面有限元模型中主拱圈厚度为 0.4m，拱顶处拱上填料厚度为0.7m，跨度为9.37m，矢高为 3.18m，横向宽度选定为 7.3m。主拱圈和桥面划分为16个单元，拱上建筑等代为填料，按均布荷载处理，如图5所示。

首先对原桥按原有的荷载标准汽-20级进行计算后，再按现有荷载标准公路-Ⅱ级荷载标准进行验算，本桥跨径9.0m，属于小桥，按规范JTG D61—2005第4.0.3条，设计安全等级为三级，结构重要性系数为γo=0.9。

按规范JTG D61—2005第4.0.4条，应满足下列表达式：

γoS≤R（fd，ad）

荷载组合如表1所示。

其中： D 表示恒荷载; M 表示移动荷载; T 表示温度荷载。移动荷载可以分为MAX 和 MIN。

原桥在汽-20标准荷载作用下其承载能力满足规范要求，但从验算的结果来看（表2所示），未加固时原桥在公路-Ⅱ级荷载作用下主要截面强度仅有部分截面满足现有规范要求，因而应对其进行加固。

2.3 加固方案

对原拱圈在上缘增设30cm厚钢筋混凝土（C30）套拱;增设防撞护栏基础;在两岸桥台台口处增设弹塑体伸缩缝;重新浇筑全桥桥面铺装、防撞护栏及增设桥面排水管;对拱圈灰缝砂浆脱落处采用M10水泥砂漿进行勾缝处理;对填料进行灌浆加固保证开挖的进行。

2.4 加固后效果及拱圈联合截面强度验算

加固后各主要截面主拱圈承载能力均大于荷载效应，满足规范要求。如表3所示。

3 结论与展望

3.1 结论

（1）在恒荷载作用下加固拱圈为原主拱圈承担了一部分荷载。

（2）加固后所施加活载由新旧拱圈共同承担，拱桥在公路—Ⅱ级荷载作用下承载力满足要求，提高了拱圈承载力。

（3）加固后各主要截面主拱圈承载能力均大于荷载效应，满足规范要求。

3.2 展望

提出的这种石拱桥增大截面的新方法不仅能满足提高旧拱圈承载力的要求，而且对就石拱桥的外观起到了一定保护作用，特别是在需要维持一定使用功能又不能破坏其原貌的旧石拱桥。

参考文献

[1]刘聪.石拱桥极限承载力分析与影响因素[D].长沙：长沙理工大学，2015.

[2]蔡斌.服役石拱桥加固技术研究[D].长沙：中南大学，2009.

[3]倪玲.增大截面法加固拱桥承载力验算方法研究[D].重庆：重庆交通大学，2009.

[4]中华人民共和国交通运输部.公路桥梁技术状况评定标准（JTG/T H21—2011） [M].人民交通出版社，2011.

[5]中华人民共和国行业标准.公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）.北京：人民交通出版社，2005.

[6]李 铮，向中富，李自强，等.考虑拱上建筑联合作用的石拱桥有限元分析[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2011，30（4）：725-728.

[7]梁晓菊.拱桥有限元设计计算原理及程序开发[D].重庆：重庆交通大学，2008.

[8]中华人民共和国行业标准.公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）.北京：人民交通出版社，2005.