郭風(fēng)琪，余志武

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075)

作為傳統(tǒng)文化遺產(chǎn)的石拱橋存在已數(shù)千年，經(jīng)久不衰。在近代公路交通中，仍然發(fā)揮著重要的作用。據(jù)統(tǒng)計，在湖南省的公路橋梁中，石拱橋有近4 000 座，總長18 萬多米［1］。

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，公路負(fù)荷日益加重，以致眾多石拱橋存在不同程度的承載能力不足、長期帶病(害)工作的現(xiàn)狀。同時，為適應(yīng)新形勢下的交通要求，這些橋梁往往需要進(jìn)行提載處理，因此，加固工作迫在眉睫。

1 工程概況

陳家溪大橋位于永定大道上，中心樁號為K0+126.85，與河流夾角為65°，荷載等級為汽車－20級，掛車－100。橋梁全長(軸線長度)62.6 m，橋?qū)挒?2 m。上部結(jié)構(gòu)為2 m×23.473 m等截面石砌板肋拱，矢跨比1/8。下部構(gòu)造橋墩為實體式橋墩，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ);橋臺為重力式橋臺。

由于車輛超載嚴(yán)重，且缺乏養(yǎng)護(hù)，出現(xiàn)明顯病害。經(jīng)檢測，原老橋存在以下病害:主拱圈、腹拱圈局部開裂，砂漿不飽滿，有少量空洞，橋面板和人行道破損。同時，因城市道路改造，設(shè)計荷載也需提高到公路I級?；谝陨显颍仨殞υ摌蜻M(jìn)行加固。

2 加固方案

石拱橋常用加固方法有增大截面、減輕恒載、改變結(jié)構(gòu)體系、增加輔助構(gòu)件等。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查和分析，該橋初擬加固方法為，腹拱圈采用鋼絲網(wǎng)噴射高強(qiáng)復(fù)合砂漿方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，而對主拱圈，則提出3種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

2.1 主拱圈加固方案

在進(jìn)行具體加固方案比選時，提出了3種方案加固主拱圈:(1)采用180 mm厚鋼筋混凝土加固拱肋下緣;(2)采用鋼－混凝土組合截面加固拱肋下緣，混凝土厚120 mm，鋼板厚16 mm;(3)采用粘貼鋼板法加固拱肋下緣，鋼板條帶尺寸為6 mm×200 mm，間距200 mm。

通過對比陳家溪橋加固前后的基頻變化，從表1中可以看出，采用鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)加固，與原結(jié)構(gòu)相比，基頻提高幅度最大，說明剛度增加最有效。

另外，對3種加固方法進(jìn)行詳細(xì)內(nèi)力與應(yīng)力對比分析，由于數(shù)據(jù)較多不一一列出，分析表明，前2種加固方法效果較好。而且湖南省的輕型石拱橋大多在施工時坐漿不密實，或在運(yùn)營過程中剝落，拱底往往凹凸不平，采用粘鋼加固法很難保證粘結(jié)可靠，因此將粘鋼加固方法予以否定。考慮到為減少對陳家溪過水?dāng)嗝娴挠绊?，大橋凈空減小越少越好，最終采用鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)加固方案。因新增混凝土層斷面狹窄且處于主拱圈下方，采用傳統(tǒng)方法難以振搗，容易形成缺陷，設(shè)計改為采用澆筑自密實混凝土，在保證混凝土質(zhì)量的同時，縮短了施工時間，減少了勞動強(qiáng)度，也改善了工作環(huán)境和安全性［2］。

表1 陳家溪橋加固前后基頻變化對比Table 1 Comparison table of pitch variation before and after reinforcement of Chenjiaxi bridge Hz

2.2 鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)加固方案

主拱圈的加固采用在鋼板上焊接栓釘，在主拱圈上植筋，在鋼板與原主拱圈截面之間新澆自密實混凝土，通過混凝土的連接和栓釘與植筋的相互咬合形成共同受力的鋼－混凝土組合截面，斷面布置見圖1。

圖1 加固后主拱圈斷面布置Fig.1 Arrangement of the section of reinforced main arch

2.3 加固施工方法

在對橋梁進(jìn)行加固施工時，首先將原拱底用鋼刷刷毛，并用水沖洗干凈;在石砌體中呈梅花狀或矩形網(wǎng)格狀植筋，植筋時應(yīng)保證植在石料上，避免植在灰縫中。在加固鋼板上畫線確定栓釘位置，如與植筋位置沖突，應(yīng)局部調(diào)整錯開。加固鋼板通常在工廠焊接成要求的弧度，可整體制作安裝，或分條帶制作，在施工現(xiàn)場整體安裝。植筋與栓釘間需布置鋼筋網(wǎng)片，為固定鋼筋網(wǎng)片，可與部分植筋點焊，但需注意植筋的降溫保護(hù)，以免損害植筋膠的作用。在加固鋼板安裝到位后，在原結(jié)構(gòu)與加固鋼板間澆筑自密實混凝土，使新老結(jié)構(gòu)成為整體［3－4］。

加固施工時，鋼板可作為混凝土模板，從而減少了投資，大大加快了施工速度;同時由于鋼板外包在拱圈的最外面，因此不存在圬工裂縫外露的問題。鋼板的防銹問題則可以通過表面刷防銹漆來解決［5］。

3 結(jié)構(gòu)受力分析計算

3.1 有限元建模方法

(1)混凝土與鋼板間的黏結(jié)摩擦作用機(jī)理十分復(fù)雜，因此在有限元模型中不模擬該作用，而將其作為結(jié)構(gòu)的安全儲備［6］。

(2)栓釘被混凝土握裹，其相互作用機(jī)理除了黏結(jié)摩擦外，還有接觸相互作用。計算時，劃分栓釘為2段梁單元，單元節(jié)點在x，y和z3個方向與同位置混凝土塊體元的平移自由度耦合，保證了栓釘和混凝土塊體單元的共同工作。

(3)混凝土材料采用多線性等向強(qiáng)化模型(MISO)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線采用Hongnestad公式計算，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用 William － Warnkel理論［7－8］。鋼材采用雙線性隨動強(qiáng)化模型(BKIN)，屈服后的彈性模量按1%屈服前彈性模量取值。表2為鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的材料及力學(xué)性能參數(shù)。

表2 結(jié)構(gòu)材料及力學(xué)性能Table 2 Structural materials and mechanical properties

3.2 有限元模型的建立

圬工及混凝土模型均采用SOLID65實體單元模擬，該單元可表現(xiàn)材料脆性斷裂，當(dāng)拉應(yīng)力超過材料強(qiáng)度后，能夠在垂直應(yīng)力方向形成彌散型裂縫，并相應(yīng)降低結(jié)構(gòu)剛度和釋放開裂區(qū)域的應(yīng)力，從而模擬本橋原設(shè)計的“平鉸”計算方法;栓釘采用BEAM188空間梁單元模擬;鋼板采用SHELL181板單元模擬。全橋三維有限元模型如圖2所示。

圖2 陳家溪橋有限元模型Fig.2 Finite element model of Chenjiaxi bridge

3.3 加固前后橋梁結(jié)構(gòu)計算

在結(jié)構(gòu)的自重、二期恒載、公路I級汽車荷載及溫度荷載作用下，經(jīng)計算，陳家溪橋加固前多處截面出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大為 1.05 MPa，最大撓度15.58 mm，不能滿足規(guī)范要求。經(jīng)組合結(jié)構(gòu)法加固后，最不利應(yīng)力和撓度(撓度僅包括加固二期恒載和汽車荷載)計算結(jié)果見表3和圖3～圖4(圖中x坐標(biāo)以一跨的一側(cè)拱腳做為坐標(biāo)原點)，其中主拱上緣應(yīng)力突變是由于立墻的緣故?？梢钥闯?，加固后，在公路I級的荷載作用下，主拱圈全斷面均為壓應(yīng)力，撓度小于L/2 500，均滿足規(guī)范和設(shè)計要求，承載力和剛度均較原結(jié)構(gòu)有較大程度提高。

表3 加固后主拱圈最不利應(yīng)力和撓度Table 3 Most unfavorable stress and deflection of reinforced main arch

圖3 加固后主拱上下緣應(yīng)力Fig.3 Upper and lower margin stress of reinforced main arch

圖4 加固后主拱最大撓度Fig.4 Maximum deflection of reinforced main arch

4 加固后效果

通過加固后橋面鋪裝良好，主拱線形勻稱平順，行車舒適性提高。同時全橋的靜動載試驗結(jié)果顯示，在公路I級汽車等效荷載作用下，計入結(jié)構(gòu)自重和二恒后，全橋最大應(yīng)力 －0.38 MPa，最小應(yīng)力－3.86 MPa，跨中撓度最大 7.22 mm，殘余值 0.12 mm，在試驗荷載作用下的實測值均小于理論計算值;一階自振頻率9.22 Hz，大于理論值。表明該橋在加固后整體工作性能良好，處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求，承載能力滿足設(shè)計要求，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。圖5為陳家溪舊橋立面圖，圖6為陳家溪橋加固后立面圖，圖7為拱底組合結(jié)構(gòu)鋼板的照片，通過對比可以看出，此橋的加固工程不僅使結(jié)構(gòu)上得到改良，在外觀上也得到美化。

圖5 陳家溪舊橋立面圖Fig.5 Elevation drawing of Chenjiaxi old bridge

圖6 陳家溪橋加固后立面圖Fig.6 Elevation drawing of reinforced Chenjiaxi bridge

圖7 陳家溪橋拱底組合結(jié)構(gòu)鋼板Fig.7 Composite structure plate on arch bottom of Chenjiaxi bridge

5 結(jié)論

通過對橋梁加固后結(jié)構(gòu)性能的分析和計算，以及加固后的荷載試驗與近3年的運(yùn)營，不但充分說明了鋼－混凝土組合加固技術(shù)是安全可行的，而且與其他加固方法相比，其還具有多方面的優(yōu)勢:

(1)鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)加固方法增加截面高度較小，對原橋的凈空影響不大，有利于行洪;

(2)對石拱橋拱圈的平整度沒有要求，便于加固且共同工作效果好;

(3)對拱圈的截面承載力和剛度提高明顯;

(4)鋼板的使用更好地控制了裂縫的發(fā)展，避免了裂縫的外露;

(5)鋼板可以作為模板，混凝土濕作業(yè)量小，施工簡便，造價較低;

(6)加固后結(jié)構(gòu)外觀效果好。

［1］田云躍.湖南輕型石拱橋的變遷［J］.湖南交通科技，1995(1):23－26.TIAN Yun-yue.The changes of the light stone birdge in hunan province［J］.Hunan Communication Science and Technology，1995(1):23 －26.

［2］陸鐵堅，林國章，余志武.長沙市八一路跨線橋加固改造設(shè)計［J］.工程抗震與加固改造，2007，29(2):66 －69.LU Tie-jian，LIN Guo-zhang，YU Zhi-wu.Reinforcement and retrofitting design of viaducts of bayi road in changsha［J］.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting，2007，29(2):66 －69.

［3］聶建國，趙 潔，唐 亮.鋼板－混凝土組合在鋼筋混凝土梁加固中的應(yīng)用［J］.橋梁建設(shè)，2007(3):76－79.NIE Jian-guo，ZHAOJie，TANGLang.Application of steel plate and concrete composite to strengthening of reinforced concrete girder［J］.Bridge Construction，2007(3):76 －79.

［4］蔡 勇，余志武.高性能砂漿－鋼絲(筋)網(wǎng)加固磚砌體抗壓強(qiáng)度試驗研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2007，4(5):1－5.CAI Yong，YU Zhi-wu.Experimental investigation on brick masonry strengthened with high performance mortar and steel wire mesh［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2007，4(5):1 －5.

［5］王昌良.組合鋼梁在舊房改造中的應(yīng)用［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2009，6(3):75 －79.WANG Chang-liang.Application of composite steel girder in changes of old buildings［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2009，6(3):75 －79.

［6］衛(wèi) 星，李小珍，李 俊等.鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)在大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋中的應(yīng)用［J］.中國鐵道科學(xué)，2007，28(5):43－47.WEI Xing，LI Xiao-zhen，LI Jun，et al.Using steel－ concrete hybrid structure in long－span continuous rigid frame bridge［J］.China Railway Science，2007，28(5):43 －47.

［7］張 霞，向中富.鋼－砼組合梁中兩種新型連接件的有限元分析［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報，2007，26(2):5 －8.ZHANG Xia;XIANGZhong-fu.Finite element analysis of two new types of shear connector in composite steel－concrete beam［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2007，26(2):5 －8.

［8］楊建軍，蔣 琳，趙 維，等.現(xiàn)澆鋼筋混凝土空心板非線性有限元分析.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報［J］.2007，4(3):38－42.YANG Jian-jun，JIANG Lin，ZHAO Wei，et al.Nonlinear finite element analysis on cast－in－situ reinforced concrete hollow slab［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2007，4(3):38 －42.