葛 健 （安徽省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230601）

0 前言

自古以來，石拱橋在我國的應(yīng)用就十分廣泛，其橋型典雅優(yōu)美，富有歷史的厚重感，跨越能力強(qiáng)、承載能力高[1]。因此，石拱橋的數(shù)量眾多，是現(xiàn)今許多山區(qū)公路、風(fēng)景區(qū)、公園等中、小橋常采用的橋型。但是，隨著使用年限的增加，作用荷載的增加和增大，拱橋病害也不斷增多，使得拱橋的結(jié)構(gòu)承載力不足，因而不能繼續(xù)滿足交通需求。如果采取新建橋梁則不但增加成本，而且費(fèi)時(shí)，甚至對(duì)交通造成嚴(yán)重影響。故在完成對(duì)石拱橋的結(jié)構(gòu)檢測后，針對(duì)受損程度較輕，尚有繼續(xù)服役空間的橋梁進(jìn)行維修加固。

拱橋的拱圈曲率變化較快，采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)加固的難度很大。故現(xiàn)如今石拱橋的加固方式仍以被動(dòng)加固為主。在被動(dòng)加固中，最普遍的是對(duì)拱背或拱腹進(jìn)行套拱以增大原石拱圈截面的方法，其對(duì)于提高拱圈的承載力效果顯著，且易于施工、加固費(fèi)用較低[2]。

文中針對(duì)小跨石拱橋，以2座橋梁加固項(xiàng)目為背景，針對(duì)橋梁各自的特點(diǎn)，對(duì)拱背套拱和拱腹套拱2種方法進(jìn)行方案優(yōu)選分析。并對(duì)套拱加固在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)的假定及荷載分配的估算方法進(jìn)行闡述，為實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)選擇加固方案提供參考意見。

1 工程概況

以下是分別對(duì)西皋大橋和南長嶺橋的結(jié)構(gòu)形式和主要的病害情況進(jìn)行的介紹。

1.1 西皋大橋

西皋大橋位于霍邱縣Y152鄉(xiāng)道上，該路采用四級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，單向1車道，路面寬3.5m，設(shè)計(jì)荷載汽-15。橋梁跨灃東干渠，上部結(jié)構(gòu)為3×10.00m空腹式圬工拱橋；下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)；水泥混凝土橋面，橋梁全寬5.30m，橋面凈寬4.20m，橋梁全長45.00m。

該橋主要病害：橋面鋪裝存在嚴(yán)重的坑槽和縱橫向裂縫以及欄桿大面積混凝土破損，銹脹，主、腹拱圈普遍滲水，拱圈局部破損，部分欄桿缺失。

1.2 南長嶺橋

南長嶺橋位于S217蔡雄路K11+851處，該路采用二級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，雙向2車道。該橋建成于1965年，1990年進(jìn)行加寬改建，荷載等級(jí)為汽-15。上部結(jié)構(gòu)為1×6.00m實(shí)腹式圬工拱橋；下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)；瀝青混凝土橋面，橋梁全寬13.80m，橋面凈寬12.80m，橋梁全長14.20m。該橋右側(cè)寬7.60m，左側(cè)寬5.20m，左側(cè)為后加部分。且該橋于2018年被檢測單位評(píng)為四類橋。

該橋主要病害：左側(cè)主拱圈出現(xiàn)2處豎向開裂，并向主拱圈底面和拱上側(cè)墻延伸，0#臺(tái)左側(cè)側(cè)墻存在2條豎向裂縫。

2 拱圈套拱的方案比選

2.1 西皋大橋（拱背套拱）

西皋大橋經(jīng)過長時(shí)間的使用及水的滲入，混凝土鋪裝層下的半剛性填料已軟化為柔性材料，混凝土鋪裝層由承壓傳力結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軓潣蛎姘褰Y(jié)構(gòu)，再加上其厚度小、單層配筋，抗彎強(qiáng)度低，故出現(xiàn)多處開裂、露石子、麻面的現(xiàn)象。經(jīng)過近數(shù)十年的使用，欄桿各桿件混凝土嚴(yán)重碳化，鋼筋普遍銹脹，多處斷裂，局部缺失。由于橋面系存在的多處病害，故使得橋梁主拱圈、腹拱圈及拱上立墻及橋臺(tái)前墻出現(xiàn)多處滲水。

由于該橋主體結(jié)構(gòu)的病害均以滲水及其造成的圬工破損為主，為了提升老橋上部結(jié)構(gòu)的整體防水性能，適當(dāng)提高空腹式圬工拱橋的整體性與承載力?？紤]到該橋主體結(jié)構(gòu)并沒有出現(xiàn)明顯的拱圈開裂，拱圈的病害主要以圬工體的破損為主，故拱腹、拱背套拱的選擇主要由哪種方案能夠?qū)μ岣呖崭故桔毓す皹蚪Y(jié)構(gòu)的整體性更為顯著而決定。若采用拱背套拱，從理論上，可以直接提高空腹式圬工拱橋的拱上剛度；從施工實(shí)際，可以由上而下沿重力方向澆筑混凝土，保證混凝土的澆筑密實(shí)度及與原石拱圈的貼合度；從經(jīng)濟(jì)上，由于該橋橋面系病害嚴(yán)重，需拆除拱腔填料及整個(gè)橋面系，故采用拱背套拱不會(huì)增加橋面系拆除成本。綜上所述，該橋設(shè)計(jì)采用拱背套拱增大拱圈截面的方法。

具體加固方案：在挖除原全橋橋面鋪裝層及拱上填料后，對(duì)全橋主拱圈拱背澆筑平均不小于10cm厚的自密實(shí)防水混凝土附加拱圈。附加拱圈于各拱上立墻處應(yīng)有效連接。在橋墩立墻及橋臺(tái)前墻底面處增加混凝土塊體以平衡附加拱圈拱腳水平力，混凝土塊體應(yīng)做散水處理。附加拱圈與橋墩臺(tái)和拱上立墻的新舊混凝土接觸面應(yīng)清理干凈，保證新舊混凝土的有效結(jié)合。且對(duì)全橋所有腹拱圈的拱背、拱上立墻根部高30cm的范圍涂刷防水層。

圖1 西皋大橋拱背套拱加固

2.2 南長嶺橋（拱腹套拱）

南長嶺該橋建成于1965年，又于1990年進(jìn)行了加寬改建，使用時(shí)間較長，且于2013年已經(jīng)做橋臺(tái)基礎(chǔ)襟邊加固處理。由于設(shè)計(jì)時(shí)的荷載等級(jí)為汽-15，且拱底已出現(xiàn)U型裂縫，橋臺(tái)亦產(chǎn)生不均勻沉降，大大降低了橋梁承載力。若維持現(xiàn)狀將存在較大的安全隱患，故需采用增大拱圈截面加固處理。

由于該橋主體結(jié)構(gòu)的病害以石拱圈U型裂縫為主為主，橋面鋪裝并無明顯病害，且橋梁跨徑較小，橋梁凈空只有2.8m?？紤]該橋拱圈厚度較薄，為40cm，且已經(jīng)存在基礎(chǔ)不均勻沉降的病害。若在采用拱背套拱之后，橋臺(tái)沉降繼續(xù)發(fā)展，附加套拱可能不但對(duì)提高橋梁承載力收效勝微，反而增大了原石拱圈的上部荷載。此外，該橋最薄處的拱腔填料只有20cm，故從經(jīng)濟(jì)上考慮，采用拱背套拱方案需抬高橋面高程，增加了橋頭接線及拆除重做橋面鋪裝的工程造價(jià)，且中斷交通近3周，對(duì)周邊居民生活造成較大影響。綜上所述，該橋設(shè)計(jì)采用拱腹套拱增大拱圈截面的方法。

圖2 南長嶺橋拱腹套拱加固

具體加固方案：在主拱圈拱腹增設(shè)一個(gè)20cm厚的混凝土套拱，并于兩端橋臺(tái)基礎(chǔ)頂各增設(shè)一個(gè)30cm厚的前墻，用以承托套拱的荷載。套拱施工時(shí)建議采用自密實(shí)混凝土，其技術(shù)指標(biāo)且應(yīng)符合《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定[4]。原橋的橋臺(tái)前墻及石拱圈需植入錨固鋼筋，錨固鋼筋間距均為40cm，深度均為10cm。在進(jìn)行主拱圈加固之前務(wù)必對(duì)已產(chǎn)生的裂縫預(yù)先采用環(huán)氧樹脂膠泥封閉。

3 套拱組合截面的荷載分配估算

平截面假定適用的理想條件是純彎曲條件，對(duì)于以彎曲變形為主的混凝土直梁，或者說高跨比較小的直梁可認(rèn)為平截面假定成立。而對(duì)于由石材和混凝土這2種材料構(gòu)成的拱梁，根據(jù)結(jié)合面的粘結(jié)程度，可將該組合截面分為滿足平截面假定和不滿足平截面2種情況。

無論是拱背套拱還是拱腹套拱，考慮小跨徑石拱橋的拱圈厚度較小，錨筋的直徑、分布密度及錨入深度不能太大，否則容易損傷原石拱圈。故采用錨筋的方法提高套拱與石拱的粘結(jié)，使結(jié)合面縱向纖維傳遞剪力的能力有限。所以針對(duì)小跨徑石拱橋的套拱加固時(shí)，當(dāng)錨筋只作為構(gòu)造及定位鋼筋時(shí)，可保守地認(rèn)為組合截面存在相對(duì)滑移，不滿足平截面假定，且應(yīng)分別計(jì)算石拱及混凝土拱對(duì)上部荷載產(chǎn)生的效應(yīng)。

即使2種材性的拱圈無法滿足平截面假定，若假定拱圈厚度在變形前后不發(fā)生變化，則通過簡單的變形作圖可見，該組合截面依然符合變形協(xié)調(diào)的基本假設(shè)[6]。針對(duì)套拱加固的施工工藝，有2種荷載情況：第一種是在拆除部分拱上建筑及橋面系后，澆筑套拱，而后重做橋面系；第二種是保持原拱上建筑不動(dòng)，直接在石拱圈下搭設(shè)拱架、拱盔，澆筑混凝土套拱。故對(duì)于加固后的組合截面，前者受部分二期恒載及人車活載，后者只受人車活載的作用。無論是哪種加工工藝，都有：

式中，ω1為下拱的跨中位移；ω2為上拱的跨中位移；ω為組合截面跨中豎向位移。

研究表明，雖然拱是曲桿，但在用力法求解跨中豎向位移時(shí)發(fā)現(xiàn)曲率對(duì)變形的影響一般很小，可以忽略不計(jì)。因此，可利用虛功原理，按直桿的位移計(jì)算公式來求系數(shù)和自由項(xiàng)：

對(duì)于一般拱橋，常有矢跨比大于1/5且拱頂截面高度小于0.1倍跨徑的拱圈結(jié)構(gòu)尺寸。故對(duì)于這一多數(shù)情況，通常可忽略軸向變形和剪切變形，只考慮彎矩的影響。即計(jì)算跨中豎向位移時(shí)，可根據(jù)直梁的撓度公式對(duì)兩種材料的拱圈所承擔(dān)的上部荷載的權(quán)重進(jìn)行估算。以單跨兩鉸組合截面拱圈（上拱石材、下拱鋼筋混凝土）所受均布荷載為例，推導(dǎo)過程如下：

式中，q為由汽車活載、加固后的二期恒載和其他活載組成的總線荷載；qm為下拱所分配的線荷載；qc為上拱所分配的線荷載；Em為石拱圈彈性模量；Ec為鋼筋混凝土拱圈彈性模量；Im為石拱圈截面慣性矩；Ic為鋼筋混凝土拱圈截面慣性矩。

求解這個(gè)方程組可便可求得qm/qc=EmIm/EcIc。即，外力的分配與截面抗彎剛度成正比。若新增加固層的材料采用C30混凝土，彈性模量Ec＝30000MPa，原主拱圈采用MU40的塊石，彈性模量Em＝8500MPa[5]?？梢娪捎诩庸虒踊炷恋膹椥阅Ａ枯^砌體的彈性模量大，所以加固層能夠承擔(dān)更大的荷載。所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意單獨(dú)復(fù)核混凝土套拱在所分配得的線荷載作用下，其強(qiáng)度和剛度是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

綜上所述，石拱圈套拱加固即使因錨筋不足而造成結(jié)構(gòu)計(jì)算不滿足平截面假定，僅靠兩種材料間的變形協(xié)調(diào)，其提高拱圈承載力的效果仍然較為顯著。若附加拱圈加固后，這2種拱圈之間存在縫隙，即混凝土拱圈和石拱圈的貼合度不高，則滿足不了變形協(xié)調(diào)的假設(shè)。那么，若為拱背套拱，會(huì)造成混凝土拱圈承載力不足，引起混凝土拱圈開裂破壞；若為拱腹套拱，則會(huì)造成無法直接增加原石拱圈承載力，只起到二道防線的作用。故推薦在施工套拱加固時(shí)，使用自密實(shí)混凝土，以助于提高混凝土拱圈和石拱圈的貼合度，確保加固效果。

4 小結(jié)

①拱背及拱腹套拱在小跨徑石拱橋加固的工程應(yīng)用中各有其優(yōu)缺點(diǎn)。通過運(yùn)用2種套拱方式，對(duì)霍邱西皋大橋和旌德南長嶺橋分別在加固條件及效果、施工難度、交通影響、工程經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行比選分析，可為其他類似舊橋加固提供參考依據(jù)。

②以組合截面不滿足平截面假定，但滿足變形協(xié)調(diào)為基本假設(shè)，對(duì)套拱加固后新舊拱圈的上部荷載分配的估算方法進(jìn)行闡述，并給出基本計(jì)算思路。同時(shí)證明，石拱圈套拱加固即使因錨筋不足而造成結(jié)構(gòu)計(jì)算不滿足平截面假定，若能保證2種材料在受荷時(shí)緊密貼合，該加固方法仍然能顯著提高原橋拱圈承載力。