石拱橋檢測與加固技術(shù)探析

石拱橋在我國的橋梁發(fā)展史上占有重要地位，因其特有的優(yōu)點在我國得到廣泛的應(yīng)用。目前，我國較大一部分石拱橋因修建標準低、營運荷載不斷增加等諸多原因而出現(xiàn)承載力不足現(xiàn)象，因此對石拱橋的檢測與加固研究是十分必要的。本文通過對新邵龍山風(fēng)電場進場道路橋梁的幾座代表性石拱橋進行檢測與加固研究分析，簡要總結(jié)了在役石拱橋的檢測與加固關(guān)鍵技術(shù)，為在役石拱橋的檢測和加固提供有效的參考和建議。

引言

從古至今，我國在世界石拱橋建筑史上取得了巨大的成就，引領(lǐng)了世界石拱橋的發(fā)展方向。交通運輸事業(yè)的發(fā)展，為我國公路橋梁建設(shè)提供了良好的發(fā)展機遇。我國在20世紀60至70年代修建了大量石拱橋，但由于當(dāng)時技術(shù)的局限性，設(shè)計荷載偏低，且在橋梁運營期，頻繁承載甚至超載，再加上自然環(huán)境的侵蝕，以及交通事故等人為事故的影響，造成橋梁的損傷和局部破壞。隨著使用年限的增長，橋梁的損傷種類和損傷部位會越來越多，程度也會越來越嚴重。大量的調(diào)查研究表明，一些石拱橋都存在各種病害，有的甚至傷痕累累，存在安全隱患。當(dāng)其使用價值降至安全限值時，必須通過檢測并維修加固，維持、提高其使用價值。

本文以新邵龍山風(fēng)電場進場道路的一座四跨連拱橋為例，通過對該石拱橋進行靜動載試驗、結(jié)構(gòu)驗算和分析，對石拱橋的承載能力、結(jié)構(gòu)變形進行相應(yīng)的觀測分析，提出相應(yīng)的加固方案，對在役石拱橋的檢測與加固技術(shù)進行簡要的總結(jié)研究。

試驗檢測內(nèi)容

該石拱橋建于二十世紀六十年代，為石砌圬工無角實腹式石拱橋，該橋雖為跨河橋，但沒有被洪水湮沒的歷史，橋墩及基礎(chǔ)有明顯沖刷現(xiàn)象。根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTG/T H21-2011），經(jīng)計算該橋技術(shù)狀況評分Dr為62.55分，橋梁總體技術(shù)狀況評定為3類。由于受到當(dāng)時施工水平的限制，該橋也使用了將近四十年，為了檢驗它是否滿足重件運輸荷載要求，對該橋進行了靜載試驗與結(jié)構(gòu)驗算。

靜載試驗

1.靜載試驗概述

靜載試驗是指將靜止荷載作用在橋梁上的指定位置， 測試所設(shè)測點的位移、應(yīng)變等試驗項目， 從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)。按試驗?zāi)康暮蜅l件的不同， 靜載試驗分為破壞性試驗和非破壞性試驗。本次靜載試驗屬于非破壞性整體試驗。

2.靜載試驗的主要內(nèi)容

該橋靜載試驗控制截面為拱頂截面和拱腳截面。實際試驗時選取邊跨的拱頂和拱腳截面按特種荷載進行加載測試。針對以上選取的典型測試截面，該橋共取2種工況進行加載試驗，各測試截面相應(yīng)的測試項目匯總于表1中。應(yīng)變測點布置于拱肋拱腳截面上緣（A、C截面）、拱肋L/2截面下緣（B截面）。采用振弦式應(yīng)變計及配套的測試儀進行應(yīng)變測試。結(jié)構(gòu)變位測試主要測量主拱圈在荷載作用下的豎向撓度。在橋面以外置一臺精密水準儀，銦鋼尺分別布置在測試跨支座、L/4截面、跨中截面、3L/4截面上，采用精密水準儀測量各工況分級加載后主拱圈的豎向撓度。

表1 測試工況及測試項目表

測試工況 測試項目 測試內(nèi)容

工況一 邊跨拱頂最大正彎矩測試 測試斷面縱向應(yīng)力、撓度及裂縫

工況二 邊跨拱腳最大負彎矩測試 測試斷面縱向應(yīng)力、撓度及裂縫

3.試驗荷載

荷載試驗是按試驗荷載內(nèi)力與特種荷載內(nèi)力等效的原則，并考慮到車輛來源、組織和調(diào)配的實際情況來確定的。本次試驗荷載采用2輛約360kN的加載車，總噸位為728.4kN，靜載效率系數(shù)在0.95～1.05之間。

由于篇幅限制，下圖僅給出各工況各控制截面的實測最大撓度與相應(yīng)的計算值及校驗系數(shù)（見表2）。

表2 撓度實測值與計算值的比較

工況 位置 實測值 計算值 ?

工況一 左跨 0.00 0.00 -

L/4 0.18 0.17 1.08

2/L 0.34 0.31 1.09

3L/4 -0.05 -0.05 0.94

右跨 0.00 0.00 -

工況二 左跨 0.00 0.00 -

L/4 0.13 0.14 0.94

L/2 -0.01 0.00 1.25

3L/4 -0.03 -0.03 0.96

右跨 0.00 0.00 -

注：撓度單位為mm；主梁豎向變位以向下為“+”，向上變位為“-”；

4.結(jié)果分析

通過對試驗結(jié)果進行分析，得出以下結(jié)論：

拱頂截面最大正彎矩的試驗荷載作用下，各測點撓度校驗系數(shù)在三級加載時達到1.46，不滿足規(guī)范要求。殘余撓度校驗系數(shù)在0.00～0.19之間說明橋梁結(jié)構(gòu)剛度尚可，回彈性能有限。根據(jù)反帝橋靜載試驗數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論：拱頂、拱腳截面橋梁強度均不滿足本次重件運輸?shù)暮奢d要求，橋梁剛度基本滿足要求。

動載分析

各跨測試頻率皆小于理論頻率，不滿足承載力要求。

結(jié)構(gòu)驗算

1.計算參數(shù)取值

主要結(jié)構(gòu)材料取值查《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D61-2005），結(jié)構(gòu)材料參數(shù)取值見表3。

表3 材料參數(shù)表

彈性模量

（MPa） 線膨脹系數(shù)α 容重（kN/m3） 抗壓強度設(shè)計值fcd

（MPa） 彎曲抗拉強度ftmd

（MPa）

拱肋 7.3×103 0.80×10-5 24 4.22 0.086

恒載分為一期恒載與二期恒載，其中一期恒載為自重；二期恒載為橋面鋪裝+人行道板?；钶d為機艙運輸特載。按新橋規(guī)規(guī)定考慮荷載組合工況為：1.0×恒載+1.0×特種荷載。

2.承載能力極限狀態(tài)檢算

承載能力極限狀態(tài)主要計算結(jié)果如表4所示，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG /T J21-2011）及橋梁外觀檢測結(jié)果，舊橋承載力折算系數(shù)Z1取0.9。根據(jù)表4的承載能力極限狀態(tài)偶然組合驗算結(jié)果，兩工況的拱頂和拱腳截面的承載能力均滿足重件運輸荷載要求。

表4 承載能力極限狀態(tài)組合強度驗算結(jié)果

截面 N（kN） M（kN·m） e（m） [e]（m） e ≤ [e] 抗力R（kN） 抗力是否滿足

拱頂 -2417.91 171.19 0.07 0.18 是 11403.77 是

拱腳 -2790.03 -474.32 0.17 0.18 是 5925.26 是

另外對該橋主要構(gòu)件及外觀檢測發(fā)現(xiàn)，檢測發(fā)現(xiàn)側(cè)墻有明顯的開裂、滲水等現(xiàn)象，第1跨主拱圈出現(xiàn)縱向裂縫；第2跨主拱圈局部有滲水現(xiàn)象，砌體小塊剝落；第3跨主拱圈局部有風(fēng)化現(xiàn)象；第4跨主拱圈較大范圍灰縫脫落，也存在一定程度的風(fēng)化現(xiàn)象，造成砌體表面局部剝落。橋面為水泥混凝土路面，多處出現(xiàn)磨光。橋面兩側(cè)護欄為鋼筋混凝土護欄，往龍山方向的左側(cè)欄桿有豎向裂縫，兩側(cè)欄桿均出現(xiàn)蜂窩麻面等，兩橋頭錐坡護墻均較完整。

3.結(jié)論

經(jīng)過對該石拱橋進行結(jié)構(gòu)驗算和動靜載分析及主要構(gòu)件及外觀檢測得出：該橋不能滿足重件運輸荷載要求，應(yīng)采取一定的維修加固措施。

加固處理

經(jīng)驗算分析，對反帝橋采取了如下加固方案：（1）反帝橋主拱圈加固方法為在原拱圈下外掛C30混凝土（厚度為25cm），以加大拱圈面積和慣性矩，從而提高結(jié)構(gòu)承載能力的目的。為保證新加固拱圈和原拱圈更好的工作，在原拱圈中植入鋼筋，加強兩者之間的連接。（2）依照黑坑橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要在原拱圈之下現(xiàn)澆C30混凝土，為保證加固后的拱圈將荷載傳遞給拱座及基礎(chǔ)，現(xiàn)將原拱座和基礎(chǔ)加固。（3）拱座加固分為在原拱座（橋臺）河流側(cè)面植筋→綁扎拱座加固鋼筋網(wǎng)，并與植筋點焊→安裝模板澆筑C30拱座混凝土。因缺乏原基礎(chǔ)設(shè)計資料，加固尺寸以施工圖結(jié)合現(xiàn)場實際為準調(diào)整。（4）基礎(chǔ)加固分為挖基→安裝加寬基礎(chǔ)模板，澆筑C30基礎(chǔ)混凝土兩個施工步驟。因缺乏原基礎(chǔ)設(shè)計資料，加固尺寸以施工圖結(jié)合現(xiàn)場實際為準調(diào)整。為確保橋臺基礎(chǔ)施工方案正確，橋臺基礎(chǔ)開挖施工時應(yīng)現(xiàn)場驗槽，確認地質(zhì)情況。

加固后重新對該橋進行結(jié)構(gòu)驗算和全橋檢測，其強度得到提高，在原試驗車輛作用下，應(yīng)力和位移明顯降低，剛度顯著增大，可以滿足通行時強度、剛度等要求，結(jié)構(gòu)安全可靠，證實該方法可行。

結(jié)術(shù)語

綜上所述，本文依據(jù)靜載試驗、結(jié)構(gòu)驗算對實例進行檢測與加固分析，對石拱橋存在的病害及加固處理積累了一定的經(jīng)驗，為橋梁改造工作提供了一定的參考。

（作者單位：中南林業(yè)科技大學(xué)）

作者簡介：向綠林，中南林業(yè)科技大學(xué)，土木工程與力學(xué)學(xué)院，碩士研究生。