■赖道斌

（1.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福州 350025；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州 350025）

石拱桥是一种历史悠久的桥型，在我国得到了广泛的应用，近年来，许多缺乏养护的老旧石拱桥已无法承载日渐增长的交通荷载量，加固改造迫在眉睫[1]。 石拱桥的加固方法主要有增大截面、粘贴钢板、调整结构体系、增加体外预应力、钢套箍加固等，内套拱加固作为最常见的加固方法之一，属于增大截面的一种，通常是在原有石拱圈下方增加钢筋混凝土拱圈或拱肋，新旧结构相互联结形成组合结构共同承担活载，提高桥梁承载能力[2]。 经套拱后结构是否能达到预期的加固效果，关系到桥梁后续能否安全有效运营，具有重要意义。 因此，本文通过对某套拱加固的石拱桥进行病害检查及静动载试验，分析其加固效果，供同类工程参考。

1 工程概况

某石拱桥建于1989 年，桥梁全长305 m，主跨为4×60 m 的石拱桥，桥面横向布置为1.55 m 人行道+11.0 m 机动车道+1.55 m 人行道。上部结构为净跨径60 m 的浆砌块石悬链线主拱圈， 拱圈厚度1.2 m，矢跨比1/6，每跨拱上设6 个砌石腹拱，下部结构采用浆砌块石墩台、扩大基础，桥面系为22 cm厚的C30 水泥混凝土铺装， 桥跨布置如图1 所示。设计荷载等级为汽车-20 级、挂车-100。

图1 桥梁立面布置图

经过20 多年的运营之后， 该桥主拱圈出现局部渗水泛白、砌石开裂，腹拱圈出现纵桥向、横桥向贯通开裂，墩身存在竖向贯通开裂，其中3# 墩开裂尤其严重， 且墩身底部砌缝砂浆被流水掏空脱落。养护单位于2015 年对该桥病害较严重的第3、4 跨进行加固，主要加固内容为：在原石拱圈内侧增设5道钢筋混凝土拱肋，每道拱肋宽1.0 m、高1.2 m；对2# 墩、3# 墩、4# 墩采用套箍外包混凝土进行加固；对腹拱圈及拱上侧墙进行砌缝修复。

2 加固运营后桥梁的病害调查结果

2.1 未加固桥跨

由于该桥仅对病害较严重的两跨进行加固，再次投入运营5 年后，未加固的桥跨病害出现了一定程度的发展。 第1 跨、第2 跨主拱圈与拱上侧墙间砌缝局部开裂脱落，主拱圈拱腹出现了更大面积的渗水泛白，拱腹纵向裂缝增多，其中第1 跨新增7 条，第2 跨新增4 条，缝长约0.7～4.2 m，最大缝宽测读值为0.22 mm；第2 跨拱脚出现砌石开裂、砌缝砂浆缺失；1# 墩墩身底部砌缝砂浆被流水掏空脱落。

2.2 加固桥跨

第3 跨、第4 跨套拱加固后，经5 年运营，加固套拱拱肋侧面出现较多竖向裂缝， 缝宽0.10～1.10 mm，拱肋底面在1/4L～3/4L 间出现较多横向裂缝，部分与侧面裂缝贯通，缝宽0.10～0.20 mm。 2#墩、3# 墩加固混凝土出现共31 条竖向裂缝， 缝长2.5～3.3 m，缝宽0.30～1.30 mm。

3 桥梁静力荷载试验

3.1 有限元模型

采用Midas/Civil 建立全桥有限元模型，按连拱进行计算，并考虑拱上建筑的联合作用。 主拱圈、腹拱圈、拱上立墙、桥墩等均采用梁单元模拟，其中，加固后的拱圈取原石拱圈为标准层，将加固混凝土套拱按刚度等效原则进行换算，形成组合截面参与计算[3]。 全桥有限元模型如图2 所示。

图2 全桥有限元模型

3.2 荷载效率

静载试验以原设计荷载汽车-20 级、挂车-100为控制荷载， 根据主拱圈控制截面内力等效原则，换算成三轴加载重车进行加载， 使加载效率满足JTG/T J21-01-2015《公路桥梁荷载试验规程》[4]的规定。 试验选取第2 跨未加固拱圈及第3 跨加固拱圈为试验对象，以便对加固效果进行对比分析，加载工况及荷载效率如表1 所示。

表1 各工况试验内容及荷载效率

3.3 试验测试结果

在试验桥跨跨中截面及1/4L 截面桥面布置挠度测点， 每测试截面沿横桥向布置3 个挠度测点；在试验跨跨中截面、1/4L 截面及拱脚截面主拱圈底面布置应变测点，每测试截面沿横桥向布置2 个应变测点。 本试验不考虑横向偏载，故同一截面各个测点的实测结果相近，取其平均值进行分析。 挠度测试结果如表2 所示，应变检测结果如表3 所示。

表2 挠度测试结果

表3 应变测试结果

在第3 跨加固拱圈跨中侧面竖向裂缝处布置跨缝应变计（图3），测试荷载作用下裂缝的工作状态。 在工况四（即第3 跨跨中截面正弯矩）满载作用下，应变观测结果如表4 所示。

图3 裂缝测点布置图

表4 裂缝测点测试结果

3.4 结果分析

由试验测试结果可知：（1）在各工况荷载作用下，控制截面的挠度与应变校验系数在0.36～0.94，均小于1.0，相对残余值在0%～8.24%，均小于20%，表明现状结构与设计理论相比仍具有一定的安全储备，且桥跨结构卸载后恢复良好， 弹性工作状态较好。（2）经套拱加固后，跨中及1/4L 截面挠度实测值下降幅度分别为29.4%、41.7%，跨中、1/4L 及拱脚截面实测应变值下降幅度分别为61.5%、62.5%、56.1%，可见套拱加固后结构的变形及应变都有大幅的下降，结构刚度得到了较大的提高。 （3）试验荷载作用下，加固套拱跨中侧面竖向裂缝出现一定的缝宽发展，卸载后缝宽恢复情况较好，但缝宽的发展呈“上大下小” 的形态， 未见常规受力裂缝的发展状态。（4）未加固桥跨的挠度与应变校验系数在0.36～0.73，套拱加固桥跨的校验系数在0.86～0.94，可见加固后虽然挠度和应力实测值有所下降，但是加固后的校验系数却偏高，可能原因在于：一是套拱拱肋底面存在横向贯通裂缝，导致其刚度降低；二是加固后新旧结构由于收缩特性不同，导致结合面的整体性不甚理想，加固后的协同工作性能较整体截面有一定差距。

4 桥梁自振特性试验

根据原设计及加固图纸建立有限元模型，分析桥跨结构在加固前与加固后的理论基频、 理论振型。 采用环境随机振动法测定全桥自振特性，在每跨跨中及立墙上方各布置1 个拾振传感器，采集风荷载等随机振动下桥跨的微幅响应， 通过频谱分析，获取桥梁结构的实测基频及振型[5]。 桥梁加固前理论振型如图4 所示，第3 跨、第4 跨加固后，全桥的理论与实测振型如图5、图6 所示，桥梁基频汇总如表5 所示。

图4 桥梁加固前理论振型图

图5 桥梁第3、4 跨加固后理论振型图

图6 桥梁第3、4 跨加固后实测振型图

表5 桥梁基频理论值与实测值 (单位：Hz)

结果表明，加固后桥梁的实测振型与理论振型较为吻合， 加固桥跨的振动幅值有大幅的降低，套拱加固使结构刚度有了较大的改善；加固后，桥梁基频较未加固桥跨有较大提高，且实测值大于理论值，即桥跨现状整体刚度大于理论值。

5 结语

该工程为4 跨石拱桥，对其中2 跨进行套拱加固，对比加固桥跨与非加固桥跨的试验检测结果，可见加固桥跨控制截面的挠度、 应变均有大幅降低，结构刚度增大，加固效果良好。 后续使用中可考虑以下建议：（1）未加固主拱圈病害有所发展，拱脚局部存在砌缝砂浆缺失、砌石劈裂，有压碎现象，可对第1 跨、 第2 跨主拱圈采用增大截面的方式进行加固。（2）第3 跨、第4 跨套拱拱肋出现裂缝，形成原因可能为裂缝区域未采用收缩混凝土，落架前降温产生的拉应力超过混凝土的抗拉应力而产生裂缝，应对裂缝进行封闭处理并加强定期观测。