陈生华，杨美云，潘昊宇

(1.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029；2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)

复合主拱圈加固空腹式石拱桥的应用技术

陈生华1，杨美云1，潘昊宇2

(1.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029；2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)

文章以某空腹式石拱桥加固项目为例，针对该桥的病害情况，介绍了采用钢筋混凝土复合主拱圈进行加固的机理及工艺，并通过有限元模型计算验证了其加固效果，为同类桥梁采用复合主拱圈加固技术提供参考。

空腹式石拱桥；复合主拱圈；力学性能；施工步骤；有限元模型；加固技术

0 引言

石拱桥是一种古老的桥型，也是我国改革开放前桥梁的主要结构形式之一。在我国的某些地区，特别是西部山区，仍然还有相当数量的石拱桥。由于当时技术水平及建设标准的限制，很多石拱桥在长期运营后出现不同程度的病害情况。比较常见的有：墩台基础外移，倾斜、拱轴线劣化、裂缝病害等。采用适当的维修加固技术来恢复石拱桥承载能力，延长其使用寿命，既能消除交通安全隐患，又能节约投资费用，有较好的社会经济效益。

石拱桥加固方法较多，根据旧桥的结构形式和病害情况，可采用释能法、复合主拱圈加固法、锚喷混凝土法、套箍封闭主拱圈加固法、粘贴加固法、拱上恒载调整法、外部预应力加固法等。本文结合桥梁加固工程实例，浅谈复合主拱圈加固法在石拱桥加固中的应用。

1 工程概况

某空腹式石拱桥竣工于1968年，主拱跨径约95 m，桥面总宽9.4 m。该桥主拱圈拱脚高2.0 m，拱顶高1.3 m，拱圈宽度为9.0 m，全桥共布置8个腹拱圈。桥面布置为：1.20 m(石栏杆及人行道)+7.0 m行车道+1.20 m(石栏杆及人行道)。其施工时拱架为竹材搭设而成，拱顶段在施工中曾下沉。近年来，该桥通行车辆以30～40 t左右的运输车为主，桥梁受损较为严重。目前，该桥已限制运输车辆通过，以人行及小型车辆通行为主。其简图如图1所示。

图1 某桥主桥桥跨布置图

根据检测报告，该桥桥面系受损较为严重，主拱圈、腹拱圈水渍明显，渗水、浸水较为普遍；纵向裂缝在主拱圈的拱腹分布较多，有多条已基本贯通，最大裂缝宽度为1.00 mm；石料砌体、灰缝表层风化较多。实测拱轴线显示拱轴线劣化严重(如图2所示)，左岸桥面拱顶段下沉明显，达到18.3 cm，与拟合出最为接近的理论线形相比，正负高差分别为-18.0 cm、10.7 cm；主拱圈左岸普遍比右岸低，两岸拱轴线相差较大，为-23.8～3.1 cm。经分析，该桥病害以裂缝病害、拱轴线劣化为主，决定采用钢筋混凝土复合加固技术加固主拱圈。

图2 实测拱轴线(虚线)与最接近的理论拱轴线对比图

2 复合主拱圈加固

2.1 加固机理及工艺

复合加固技术是在原拱圈的腹拱面和两侧增设钢筋混凝土加固层，或仅在原拱圈腹拱面增设钢筋混凝土拱板形成复合主拱圈，共同承担后期荷载的作用，以增大主拱的强度及刚度，提高拱桥承载能力，达到以较小的经济代价延长桥梁使用寿命的目的。

复合加固技术一般是针对拱桥由于拱圈材料风化、原有砂浆脱落、拱圈开裂和拱轴线劣化而导致的结构承载力不足等情况。加固后能提高原结构的整体性和耐久性，增大了主拱圈的强度、刚度，提高了承载力。另外，从施工方面来看，其施工流程清晰，所需施工技术较为简单，故在石拱桥加固中应用较多。

钢筋混凝土复合主拱圈加固机理一般是从断裂力学和增大截面两个方面考虑。从断裂力学考虑，主拱圈加固前的表面裂纹变为在加固后的结构内部裂纹；通过锚杆的连接及现浇混凝土本身的粘合力，使后浇的钢筋混凝土加固层能与原主拱圈层结合共同受力，以达到增大截面的效果。

在加固设计结构验算中，有容许应力法和极限状态设计法两种方法，而现行规范采用以概率理论为基础的极限状态设计法，其强度计算公式如下：

γ0Nd≤φAfcd

式中γ0Nd——荷载效应；φ——构件影响系数；fcd——抗压强度设计值，复合主拱圈加固采用标准层强度；

A——主拱圈截面的面积。

钢筋混凝土复合拱圈加固一般有两种方式：(1)在原拱圈的腹拱底及两侧增设钢筋混凝土拱板加固；(2)先在原拱圈腹拱设钢筋混凝土拱肋，拱肋参与受力后，现浇薄层混凝土拱板，形成复合主拱圈，通过复合主拱圈的协调变形共同作用来承担后期荷载，达到增大主拱圈强度、刚度，提高拱桥承载能力的目的。方式(1)一般针对主拱圈不宽的拱桥，方式(2)一般针对主拱圈病害严重，或主拱圈宽度9m以上的拱桥。鉴于本桥主拱圈宽9m，且主跨跨径较大，故采用方式(2)进行加固。

其加固方案概述如下：

(1)更换桥面系，并将栏杆统一更换为轻型的预制钢筋混凝土栏杆。

(2)对主拱圈裂缝采用高压灌浆处治，封闭裂缝，填充砂浆空洞，以增强拱圈整体性。

(3)钢筋混凝土复合加固主拱圈，加固后截面如下页图3所示。

图3 复合主拱圈加固示意图(单位：cm)

在原拱桥主拱圈底面植入锚杆，拱圈腹拱底面及两侧面现浇10cm厚钢筋混凝土，并同时在腹拱底面浇5道拱肋，每道拱肋宽80cm，厚40cm，拱肋间隔5m设置一道横系梁。锚杆采用聚酯树脂锚杆，成梅花形布置。加固层采用C40现浇混凝土，纵向主筋为HRB335φ18，主筋间距15cm，横向钢筋取HRB335φ16，钢筋间距20cm。

复合拱圈加固工艺如下：

(1)钻孔安设锚杆。放样钻孔→清孔及检查→安设锚杆。

(2)拱圈结合面清理并凿毛。去除风化剥落的表层，并凿毛，使表面粗糙，增强与加固层的粘结。

(3)布设钢筋。纵、横向钢筋与锚杆连接处采用点焊焊接，其余纵、横向钢筋在交接位置绑扎；纵向钢筋在拱座、横墙位置需锚入原桥砌体。

(4)现浇混凝土层。为减小温度附加内力的影响，现浇层混凝土在温度较低时候施工，并采用对称浇筑，分节段从两拱脚开始，往拱顶方向施工。一个节段内，先施工主拱圈腹，后施工主拱圈侧面。

2.2 加固有限元模型及验算

该桥采用有限元结构计算软件MIDAS/CIVIL建模计算，见图4。在加固施工初期，主拱圈腹拱新浇筑钢筋混凝土拱肋尚未参与受力，主拱圈截面为旧桥截面，所受荷载为旧桥自重、现浇混凝土拱肋重；第二阶段钢筋混凝土拱肋参与受力，拱圈截面按加拱肋后截面计算，现浇薄层混凝土拱板按外荷载考虑，第三阶段考虑加固后截面整体受力，荷载为包括加固后构件自重在内的恒载、桥面系二期恒载以及其他使用阶段的可变荷载。荷载组合中考虑恒载、汽车荷载、升温、降温、收缩、徐变等，组成荷载组合Ⅰ～组合Ⅳ。

图4 结构有限元模型示意图

经计算，归纳计算结果见表1。

根据计算结果，经过加固后，最不利截面内力值为1.56，满足规范要求。采用钢筋混凝土复合主拱圈加固该桥，能较大幅度地恢复结构承载能力，加固效果较好。

表1 加固后主拱圈各截面内力值表

3 结语

(1)复合加固后能提高原结构的整体性和耐久性，增大了主拱圈的强度、刚度，提高了承载力。另外，也有施工流程清晰，所需施工技术较为简单，经济代价较低的优点。

(2)钢筋混凝土复合主拱圈加固属于二次组合结构，新增混凝土现浇加固层和原砌石结构层之所以能形成复合主拱圈协同受力，主要是由于锚杆的锚固作用以及材料之间的粘结作用，并取决于结合面的构造处理及施工工艺。如何优化结构面构造以加强新、旧混凝土连接整体性尚有待继续研究。

[1]JTGD61-2005，公路圬工桥涵设计规范[S].

[2]周建庭，刘思孟，李跃军.石拱桥加固改造技术[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3]刘士林，向中富.特大跨径石拱桥研究与实践[M].北京：人民交通出版社，2006.

[4]蒙 云，卢 波.桥梁加固与改造[M].北京：人民交通出版社，2004.

Application Technology of Hollow Stone Arch Bridge Reinforcement by Composite Main Arch

CHEN Sheng-hua1，YANG Mei-yun1，PAN Hao-yu2

(1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029；2.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

With the reinforcement project of a hollow stone arch bridge as the example，and regarding the disease situation of this bridge，this article described the mechanisms and processes by using the reinforced concrete composite main arch for the reinforcement，and through the finite element model it verifies and cal-culated its reinforcing effect，thereby providing the reference for similar bridges using the composite main arch reinforcement technology.

Hollow stone arch bridge；Composite main arch；Mechanical properties；Construction steps；Finite element model；Reinforcement technology

U445.7+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.015

1673-4874(2015)04-0052-03

2015-03-06

陈生华，工程师，主要从事桥梁勘察设计工作。