吴智慧，杨德欢，王 斌，刘俊斌，黄小娟

(1.安徽交通职业技术学院土木工程系，安徽 合肥 230051;2.长沙大学土木工程系，湖南 长沙 410003)

圬工拱桥具有取材容易、节省钢材与水泥、承载能力大、技术容易掌握、构造简单、耐久性好、养护费用少等优点［1］，在我国20世纪50年代～80年代得到了广泛的应用.据统计［2］，目前我国拱桥数量居世界第一，而且拱桥在全国所有桥梁中约占60%，西部尤其西南地区占90%以上.由于当时的设计技术标准较低，加上材料的风化和自然环境的影响，很多旧石拱桥存在承载能力不足的现象，不能满足日益增长的交通量和超重、超限车辆的通行，维修加固已是迫在眉睫.

当前，祝小龙［3］等用加固减载法对跨径70m的悬链线空腹式石拱桥进行加固处理;高荣雄［4］等采用拱背加固减载法成功改造了跨径40m，22.0+25.60+7×22.10m的9孔不等跨双曲连拱桥;林力成［5］等对跨径20m的实腹式拱桥进行了加固处理.由上可知，人们对中等跨径的石拱桥的加固处理较多，而对10～15m及以下小跨径石拱桥的加固处理研究较少.

1 加固机理

石拱桥上部结构常见的病害有:(1)主拱轴线型变化;(2)主腹拱圈顺、横或斜桥向出现裂缝;(3)石料分化脱落，拱圈不均匀凹凸变形;(4)侧墙外鼓、开裂、渗水等.上述病害严重影响了拱桥的承载力，补救办法是对主要承重构件进行补强或加宽，改善结构性能，恢复和提高桥梁结构的安全度，以延长石拱桥的使用寿命，使整座石拱桥满足规定的使用功能需求，并能适应未来交通运输发展.

我国公路圬工桥涵结构按承载能力极限状态设计时，应采用下列表达式［6］

式中γ0—结构重要性系数，对应于文献［6］按相应安全等级分别取用 1.1，1.0，0.9;S0—结构作用效应组合设计值，按文献［7］的规定计算;R0(*)—构件承载力设计值函数;fd—材料强度设计值;ad—几何参数设计值，可采用几何参数标准值ak，即设计文件规定值.

文献［7］指出:石拱桥出现开裂等病害后，易知R0(fd，ad)是减小的，设其减小到 R1(fd，ad).通过对这些病害石拱桥进行维修加固，即可得到γ0S1≤R2(fd，ad)，这里 S0≤S1，即提高设计指标;R0(fd，ad)≤ R2(fd，ad)，即提高承载能力.文献［7］首次提出如下3条圬工拱桥加固改造的技术指标.为便于分析，对于小跨径石拱桥取γ0=1.0.

技术指标1:R1＜S0=S1≤R2≤R0，即保持桥梁原设计等级，仅通过提高病害桥梁的承载力使其达到原有水平，满足当前的设计、加固改造要求;

技术指标2:R1＜S0＜S1＜R0＜R2或R1＜S0＜S1＜R2＜R0，即提高桥梁的设计等级的同时提高病害桥梁的承载力，使其满足当前的设计、加固改造要求;

技术指标3:R1＜S0＜R0＜R2＜S1，即提高桥梁的设计等级，提高病害桥梁的承载能力至其极限值也达不到当前的设计要求，此时病害桥梁需拆除重建.

石拱桥由建筑材料决定了最理想的是全截面轴心受压，在设计中多采用悬链线作为设计拱轴线.但由于拱上建筑的影响，压力线与拱轴线偏离，拱桥实际多处于偏心受压状态.主拱圈在恒载作用下的应力由轴力和弯矩产生的应力组合而成.

偏心受压结构的上下缘的应力值为:

主拱圈截面尺寸增大后，假定主拱圈和加固层协调变形，混凝土加固层高度不变按弹模比例换算成浆砌块石A'和W':

A'—加固后等效面积;W'—加固后等效截面抗弯模量.

因A'＞A，W'＞W，所以σ'比σ将减小，即加固增大主拱圈截面其极限承载力明显提高.

其次，利用结构在三向受压情况下其抗压强度将提高的原理，采用钢筋混凝土套箍环状加固桥梁，原主拱圈处于三向受压状态其极限承载力提高.

2 石拱桥常用加固方法

在文献［2，3，8－14］中介绍了常用的拱桥加固方法.

调整荷载集度法:通过采用不同容重的拱上填料，改变拱上填料厚度等方法来调整偏离附加内力的大小，即对拱轴线和压力线进行调整，使两者尽量吻合，从而改善主拱圈的不良受力状况［2］.

套拱法:适宜跨径10m以下且满足基础承载力的石拱桥加固.先将原拱圈的裂缝进行处理，然后对原拱圈灌浆，整体性加强，再采用灌浆法处理基础.基础处理完后在原拱圈下浇筑一层钢筋混凝土套拱，套拱施工完后再在其与原拱圈之间灌浆，及增大拱圈厚度［8］.

加固减载法:通过(1)降低桥面标高，减少或完全取消拱上填料，换填轻质材料;(2)将实腹式拱桥改为空腹式拱桥;(3)做成钢筋混凝土刚架或桁架式拱上建筑用钢筋混凝土T梁、板梁等轻质桥面系取代笨重的实腹拱体系［3］.

钢筋砼套箍封闭主拱圈加固技术:在原主拱圈拱腹外增设钢筋混凝土拱板，通过灌浆形成复合主拱圈，再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［9］.

加固加宽法:在拱圈下增设副拱圈同时加宽原桥，加宽的拱圈结构部分和原结构连成一个整体，从而提高拱桥的承载能力.对原桥病害用锚杆进行处治，加固、加宽同时进行施工，采取从桥台下面的基础到桥台，到拱圈都整体加固衬砌钢筋混凝土，并在内侧对桥台基础予以加固，加固部分和加宽的拱圈连成—个整体，受力分布均匀，提高了桥梁的整体承载力［10］.

粘贴加固法:指在拱底或拱背采用环氧树脂或建筑结构胶粘贴钢板、碳纤维布、玻璃纤维布等高强材料，使之与结构形成整体，增加结构的强度，提高桥梁承载力［11］.

裂缝灌浆技术:对拱圈裂缝和桥台石砌体裂缝利用空气压力将环氧浆液灌注到裂缝深处的一种修补加固方法，封闭裂缝可以达到提高桥梁混凝土结构整体性、延长耐久性和提高抗渗性的目的.灌浆完成后在拱圈底部通长粘贴碳纤维布，并粘贴碳纤维布压条增强锚固.碳纤维布具有很好的抗拉性能，在裂缝开展不大的情况下，在拱圈底部粘贴碳纤维布可有效提高其抗拉性能，防止拱圈进一步开裂［12］.

除了上述针对桥梁本身的加固改造方法外，其他还有顶推法加固技术［13］、体外预应力加固技术［14］等.

从上述常见的加固方法可知，绝大多数的加固方法都是按照式(1)中所述改变拱桥各构件的重度和高度来提高病害拱桥的承载力，下面几个案例也是证实了这一点，曾家桥采用了加固加宽法和裂缝灌浆技术加固法;木家桥采用了加固加宽法、加固减载法和调整荷载集度法.

3 工程实例

3.1 工程概况

本文以国道G207线安化段公路改建工程为依托，该公路修建年限早，设计标准低，一部分桥梁则采用加固方案，布设基本服从路线，选取路线中几个典型的小跨径石拱桥为例，介绍加固改建方案和措施.另一部分桥梁桥下净空或平面线形不满足要求，运营现状差，采取拆除重建方案.

3.2 曾家桥

2×6.5m的实腹式石拱桥，桥面宽度6.7m，下部为U型桥台，实体桥墩，扩大基础.根据检测资料，结构基本完好，承载力能满足二级公路设计要求.属于文献［7］中加固改造技术指标1的情况.

加宽加固主要措施:原桥部分:(1)开挖桥面，进行18cm厚C40防水砼桥面铺装，同时在其下增设10cm厚C30砼调平层，要求桥面标高不得低于原桥面标高;(2)开挖后，对局部松散的拱腔填料进行灌浆处理，对老桥砂浆脱落部分进行修补，裂缝处进行灌浆处理;(3)施工前在老桥拱圈顶、拱脚及1/4拱处设置观测点，施工过程中发现异常立即停止，处理后才能继续进行，施工时严禁车辆通行.

加宽部分:(1)上部采用2×8m钢筋砼现浇整体空心板，下部采用U型桥台、柱式桥墩，扩大基础;(2)在原拱桥上游侧加宽4.42m，在加宽部分墩台间设置2cm纵向沉降缝，桥面连成整体，沉降缝增设加强钢筋;(3)桥面横坡通过墩、台帽、垫石和桥面铺装层形成;(4)墩台基础奠基于岩层上，要求墩台基础不得同时施工，基础开挖时，在接近老桥基础1m以上时尽量采用跳槽式施工，距离老桥基础1.5m左右暂不开挖，待外侧基础开挖到位并施工完后，再进行开挖到位，并立即组织施工，如发现老桥基础有塌空现象，应进行注浆及其他加固处理.本桥的加固改造方案如图1所示.

图1 曾家桥加固改造方案(单位:cm)

根据施工完成后一段时间的观察，新加固的部分与原结构连接牢固，受力分布均匀，能够形成为—个较好的整体.沉降缝增设加强钢筋有效解决了不同结构变形和沉降不统一的情况.材料的加强处理使得拱圈没有发生进一步开裂，有效地提高了承载力，延长了该桥的使用寿命.

3.3 木家桥

实腹式圆弧石拱桥，净跨径为10.5m，桥宽7.6m，主拱圈厚40cm，矢跨比 f/L0=1/7，下部为 U型桥台，扩大基础.根据外业调查情况对老桥部分桥面板及防撞墙进行改造，改造方案在原桥下游侧加宽2.99m，加宽部分和原桥之间设2cm的纵向沉降缝.改造后全桥宽10.52m.属于文献［7］中加固改造技术指标2的情况.

加宽加固的主要措施:(1)拆除原桥防撞墙，挖除原桥面，并对主拱圈采用环氧胶泥止缝，桥面铺装采用18cm厚C40防水砼;(2)加宽部分上部采用1×11.90m现浇钢筋砼空心板，桥面横坡由桥面铺装调整，桥面标高由拱顶填料厚度和桥面铺装共同调整;下部采用U型桥台，扩大基础;(3)在上游侧桥台处设置一道GQF－C(40)型伸缩缝，下游侧桥台处设置桥面连续;(4)桥台基础施工时，按局部小规模开挖的原则以防止桥台坍塌，基坑开挖到位后及时浇筑砼并回填至地面标高;新老基础间设沉降缝，如施工过程中发现老桥基础有垮空或松散现象应及时进行注浆处理.本桥的加固改造方案如图2所示.

该桥经过加固以后改善主拱圈的不良受力状况，整体承载力得到了很大的提高，交通量也有提升.这种加固方案，即保持了原桥的美观性，又有效地利用了新的建筑材料，达到了预期的目的，节约了大笔的资金，经济效益明显.

图2 木家桥加固改造方案(单位:cm)

3.4 其他

山溪铺桥、团山桥、双江桥、树咀桥等属于文献［7］中加固改造技术指标3的情况.

山溪铺桥为1×6m的石拱桥，重力式台扩大基础，主拱圈厚0.3m，主拱圈混凝土脱落，桥台开裂，基础有冲刷现象，泄洪不能满足设计要求，拆除重建.

团山桥为1×6m的石拱桥，重力式台扩大基础，主拱圈厚0.4m，拱圈混凝土脱落严重，桥台有裂缝.老桥两侧较难展线，平面无法利用老桥，拆除重建.

双江桥为1×6.9m的石拱桥，重力式台扩大基础，主拱圈厚0.4m，拱圈砼脱落，且拱顶有下沉现象，拆除重建.

树咀桥为1×8.5m的石拱桥，重力式台扩大基础，主拱圈厚0.5m，主拱圈上裂缝较多.本桥处于曲线段内，老桥外侧陡坎，平面无法利用，纵断面也无法利用，拆除重建.

4 结束语

(1)本文结合实例浅析了圬工拱桥加固改造机理，指出改变拱桥各构件的重度和高度是提高病害拱桥的承载力的有效措施;

(2)本文阐述了石拱桥常见的加固改造措施，并用于实际中小跨径石拱桥的加固改造，得到了较好的结果，对中等跨径或大跨径石拱桥的加固改造具有指导意义;

(3)对于石拱桥的加固改造利用，需综合分析技术指标、经济指标等因素，再选取合适的加固改造方案.石拱桥加固改造往往不是一种加固技术的应用，而是多种加固技术相互配合使用.

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