小跨度石拱橋拱腹套拱加固設(shè)計(jì)探討

（四川蜀運(yùn)通途工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，四川 內(nèi)江 641000）

0 前言

由于施工工藝及生產(chǎn)原材料等因素，上世紀(jì)50年代至90年代，無(wú)論是國(guó)省干線或者農(nóng)村公路，均修建有大量的石拱橋，尤其以單跨20 米以內(nèi)的小跨度石拱橋?yàn)橹?。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，車(chē)輛荷載標(biāo)準(zhǔn)的提高，原有的石拱橋大部分已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)行荷載承載能力要求，均出現(xiàn)了不同程度的病害，如主拱圈縱橫向裂縫、橋臺(tái)前墻豎向裂縫、側(cè)墻外鼓變形等，亟待進(jìn)行加固改造。

1 設(shè)計(jì)案例

1.1 原橋基本情況

躍進(jìn)橋位于G319 線安岳縣境內(nèi)，橋梁中心樁號(hào)為K2566+230。原橋荷載等級(jí)為汽車(chē)-20 級(jí)，掛車(chē)-100，左半福大約修建于上世紀(jì)50年代，右半幅為1999年加寬改造建成，根據(jù)檢測(cè)公司提供的資料，墩臺(tái)基礎(chǔ)情況較為良好，河床無(wú)沖刷現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量，原橋?yàn)?-10 米石拱橋，拱圈厚度左半幅為0.65 米，右半幅為0.75 米，矢跨比約為1/2，橋面總寬度為12.2m，左半幅拱圈寬度6.67 米，右半幅拱圈寬度5.53 米，橋梁全長(zhǎng)57.76m。

根據(jù)《G319線躍進(jìn)橋橋梁定期檢查報(bào)告》顯示：

1.1.1 原橋病害類(lèi)型如下：

a、右半幅第三跨拱腹大樁號(hào)側(cè)拱腳至L/2段距離下游側(cè)邊緣50cm～120cm范

圍內(nèi)縱向開(kāi)裂，裂縫長(zhǎng)度6.5米，最大裂縫寬度7mm。

b、右半幅第一跨下游側(cè)拱上側(cè)墻存在沿砌縫開(kāi)裂病害，砌體產(chǎn)生外鼓2.1cm。

c、右半幅第一跨下游側(cè)拱上側(cè)墻與主拱圈脫裂，產(chǎn)生外鼓1.5cm。

1.1.2 病害原因分析如下：

原橋的主要病害為右半幅1#主拱圈右側(cè)側(cè)墻外傾及裂縫，3#主拱圈縱向裂縫，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查及對(duì)原橋基本情況的了解，出現(xiàn)上述病害的主要因素為拱上填料強(qiáng)度不足，加之橋面滲水引起土壓力增大，造成側(cè)墻外傾及裂縫，側(cè)墻外傾

引起拱圈開(kāi)裂。該橋被評(píng)定為四類(lèi)橋，原橋現(xiàn)狀見(jiàn)下圖：

平面圖

立面圖

主拱圈裂縫

側(cè)墻外鼓

1.2 加固設(shè)計(jì)方案

1.2.1 加固設(shè)計(jì)方案比選

在選擇加固設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)同時(shí)兼顧“安全、經(jīng)濟(jì)、適用、環(huán)?！钡脑瓌t，制定切實(shí)可行的實(shí)施方案，方案比較闡述如下。

a、推薦方案

I、對(duì)原橋拱圈裂縫采用環(huán)氧樹(shù)脂封閉，墩臺(tái)身采用外包35cmC30 鋼筋混凝土進(jìn)行加固，新舊墩身用錨固鋼筋連接，外包鋼筋混凝土擱置于原橋墩臺(tái)襟邊上，新加固的鋼筋混凝土在原橋斷縫處仍然設(shè)置斷縫。

II、在原漿砌塊石拱圈下增設(shè)30cm 鋼筋混凝土套拱，與原拱圈共同受力，新舊拱圈用錨固鋼筋連接，新增鋼筋混凝土拱圈在原橋斷縫處仍然設(shè)置斷縫。

III、拆除拱頂以上建筑物，改用7cmAC-13 SBS 橋面改性瀝青砼+ 23cm C30 鋼筋混凝土鋪裝層+ 70cm C20 素混凝土墊層，再挖除側(cè)墻外鼓部分填料，換填C20 素混凝土，并對(duì)原橋兩側(cè)側(cè)墻進(jìn)行植筋錨固，以限制側(cè)墻變形。

Ⅳ、恢復(fù)橋面護(hù)欄、伸縮縫、標(biāo)線、標(biāo)志標(biāo)牌等附屬設(shè)施。

推薦方案優(yōu)點(diǎn)：此方案簡(jiǎn)易可行，對(duì)拱上側(cè)墻以及拱圈結(jié)構(gòu)的加固受力明確，加固改造效果顯著，工程投資較低。

推薦方案缺點(diǎn)：此方案加固改造后對(duì)橋下泄洪有一定影響。

b、比較方案一

I、對(duì)原橋拱圈裂縫采用環(huán)氧樹(shù)脂封閉。

II、在拱下搭設(shè)滿堂支架，將拱圈以上建筑物全部拆除，然后在拱背設(shè)置30cm 鋼筋混凝土套拱，與原拱圈共同受力，新舊拱圈用錨固鋼筋連接，新增鋼筋混凝土拱圈在原橋斷縫處仍然設(shè)置斷縫。

III、恢復(fù)拱上側(cè)墻，拱腔內(nèi)換填C20 泡沫混凝土，橋面層采用7cmAC-13 SBS 橋面改性瀝青砼+ 23cm C30 鋼筋混凝土鋪裝層。

Ⅳ、恢復(fù)橋面護(hù)欄、伸縮縫、標(biāo)線、標(biāo)志標(biāo)牌等附屬設(shè)施。

比較方案一優(yōu)點(diǎn)：此方案簡(jiǎn)易可行，拱圈結(jié)構(gòu)的加固受力明確，加固改造效果顯著。

比較方案一缺點(diǎn)：此方案對(duì)原橋的開(kāi)挖擾動(dòng)較大，工期較長(zhǎng)，工程投資較高。

c、比較方案二

I、對(duì)原橋拱圈裂縫采用環(huán)氧樹(shù)脂封閉。

II、清除拱頂以上填料，然后在拱頂澆筑10cm C20 素混凝土封面。

III、挖除側(cè)墻外鼓部分填料，換填C20 素混凝土，并對(duì)原橋兩側(cè)側(cè)墻進(jìn)行植筋錨固，以限制側(cè)墻變形。

Ⅳ、設(shè)置3-11.8 米鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋，在橋臺(tái)及橋墩所對(duì)應(yīng)的位置增設(shè)梁板蓋梁。

V、恢復(fù)橋面護(hù)欄、伸縮縫、標(biāo)線、標(biāo)志標(biāo)牌等附屬設(shè)施。

比較方案一優(yōu)點(diǎn)：此方案簡(jiǎn)易可行，加固改造后原拱橋主拱圈部分基本不參與結(jié)構(gòu)受力，用新增梁橋承擔(dān)活載，結(jié)構(gòu)受力明確，工程投資較低。

比較方案一缺點(diǎn)：此方案由于將原拱橋完全改造為簡(jiǎn)支梁橋，原橋結(jié)構(gòu)利用率很低，而且由于梁橋單跨跨度為11.8 米，跨度相對(duì)較大，新增蓋梁設(shè)置于原拱橋側(cè)墻上，可能會(huì)出現(xiàn)變形移位的現(xiàn)象。

1.2.2 施工簡(jiǎn)要步驟及注意事項(xiàng)

a、施工簡(jiǎn)要步驟

封閉右半幅，設(shè)置臨時(shí)交通管制設(shè)施，限制車(chē)輛總重不超過(guò)20T，車(chē)速不超過(guò)20Km/h橋臺(tái)圍堰，開(kāi)挖左右半幅墩臺(tái)基礎(chǔ)至原橋基礎(chǔ)襟邊處即可，綁扎鋼筋澆筑左右半幅墩臺(tái)身鋼筋混凝土，同時(shí)對(duì)右半幅第三跨拱圈裂縫進(jìn)行封閉處理澆筑右半幅復(fù)拱圈拆除右半幅拱上（橋臺(tái)）100cm范圍內(nèi)欄桿及側(cè)墻，挖除拱上填料及側(cè)墻出現(xiàn)位移處填料側(cè)墻植筋，澆筑C20 素混凝土，恢復(fù)7cmAC-13 SBS 改性瀝青砼+23cm C30 鋼筋砼橋面鋪裝層+70cm C20 素混凝土，恢復(fù)伸縮縫、C30 砼側(cè)墻及鋼筋砼護(hù)欄拱圈混凝土、側(cè)墻、拱上填料及護(hù)欄達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后封閉左半幅，開(kāi)放右半幅交通用同樣的方法對(duì)左半福拱圈進(jìn)行加固處理恢復(fù)標(biāo)線、標(biāo)志標(biāo)牌等附屬設(shè)施，完全開(kāi)放交通。

b、施工注意事項(xiàng)

舊橋加固施工因其風(fēng)險(xiǎn)比新建橋梁更大，對(duì)施工質(zhì)量和施工程序要求更高。在施工過(guò)程中，除嚴(yán)格按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）執(zhí)行之外，還提出下列施工注意事項(xiàng)：

I、清除及拆除工作均采用人工清除、拆除，施工期間橋上嚴(yán)禁上大型機(jī)械。

II、橋梁加固施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行交通管制，控制車(chē)輛總重不超過(guò)20T，通行速度不超過(guò)20Km/h。

III、原拱橋加載及卸載均應(yīng)對(duì)稱(chēng)均衡進(jìn)行。

Ⅳ、裂縫灌漿處理

①灌漿膠采用環(huán)氧樹(shù)脂。

②對(duì)圬工表面進(jìn)行處理，清除松散灰漿、砂粒、油垢，使圬工表面保持干凈。灌縫過(guò)程中，裂縫應(yīng)處于干燥狀態(tài)（灌縫有特殊要求的除外）。

③灌縫用膠必須按所選用產(chǎn)品確定試驗(yàn)的配合比進(jìn)行拌合，準(zhǔn)確稱(chēng)量各組成材料并攪拌均勻。灌縫膠配好后，應(yīng)盡快將其注入到裂縫中，并在該產(chǎn)品規(guī)定的適用期內(nèi)使用完畢。

④縫隙全部注滿后應(yīng)按材料要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待漿液固化后，拆除灌漿嘴，并對(duì)圬工表面進(jìn)行修整。

⑤灌縫過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制質(zhì)量，灌縫結(jié)束后應(yīng)檢驗(yàn)灌縫效果及其質(zhì)量。凡有不密實(shí)或重新開(kāi)裂等不合格的情況，應(yīng)采取補(bǔ)灌等補(bǔ)強(qiáng)措施，確保質(zhì)量。

Ⅴ、化學(xué)植筋施工工藝及操作要求

①材料

采用直徑20 毫米或16 毫米的自制螺紋鋼筋作為錨栓，植筋膠體采用A 級(jí)膠。

②植筋施工方法

1）放樣：按設(shè)計(jì)孔位放樣，標(biāo)明鉆孔的位置。

2）鉆孔：孔深與錨筋埋設(shè)深度相同，植筋20mm 鉆孔大小為24mm，植筋16mm 鉆孔大小為20mm，孔道應(yīng)順直。

3）清理鉆孔：孔道先用硬鬃毛刷清理，再以高壓干燥空氣吹去孔底灰塵、碎片和水分，孔內(nèi)應(yīng)保持干燥。

4）灌膠：將植筋膠由孔底灌注至孔深2/3 處，待插入錨筋后，膠即充滿整個(gè)孔洞。

5）插入錨筋：錨筋插入前應(yīng)清除插入部分的表面污物，并須插到孔底，孔口多余的膠應(yīng)清除。污物應(yīng)先以鋼刷清除，再用丙酮擦凈，并予拭干。

6）在膠液干固之前，避免擾動(dòng)錨固鋼筋和在孔位附近有明水。

Ⅵ、拱圈砼澆筑

①鑿除拱圈剝落、松散、風(fēng)化表層。套拱施工前應(yīng)對(duì)拱圈的其他缺陷，如砌縫砂漿脫落、裂縫、掉塊、空洞等進(jìn)行修補(bǔ)。

②嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行原拱腹植筋，套拱新增鋼筋應(yīng)與原拱圈連接牢固。

③澆筑套拱砼前應(yīng)充分濕潤(rùn)原拱腹面。

④每半幅三跨拱圈澆筑應(yīng)同時(shí)對(duì)稱(chēng)均衡進(jìn)行，澆筑順序從兩側(cè)拱腳向拱頂推進(jìn)。

⑤施工中應(yīng)采取有效措施保證新澆筑砼密實(shí)以及與原結(jié)構(gòu)密貼。

Ⅶ、側(cè)墻加固

①按照設(shè)計(jì)圖對(duì)錨固孔道進(jìn)行放線并鉆孔，在鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)采取措施保護(hù)好原有側(cè)墻，避免施工過(guò)程中造成新的破壞。

②用錨固劑對(duì)直徑20mm 的錨固鋼筋進(jìn)行錨固，澆筑C20 砼。

2 拱腹套拱方案探討

2.1 加固原理

實(shí)腹式圬工拱橋自重較大，主拱圈是受壓為主的結(jié)構(gòu)，拱腹增設(shè)鋼筋混凝土套拱能有效地增大拱圈受力截面，改善截面力學(xué)性能指標(biāo)，如截面高度、抗彎慣性矩等，在參與結(jié)構(gòu)共同受力的過(guò)程中提高截面抗剪、軸向受壓、偏心受壓的能力，從而提高拱橋的設(shè)計(jì)荷載。

2.2 適用范圍

拱腹套拱通常適用于單跨跨度20 米以內(nèi)的小跨度實(shí)腹式拱橋，且橋下凈空或橋下泄洪面積允許縮小的情況下使用，新增拱圈可采用鋼筋混凝土板拱或肋拱結(jié)構(gòu)。

2.3 與其它加固方案比較

除拱腹套拱外，石拱橋的加固方案通常有如下幾類(lèi)：

2.3.1 拱背套拱

即在原石拱橋拱背增設(shè)鋼筋混凝土套拱，此方案施工簡(jiǎn)便，但開(kāi)挖面很大，通常適用于單跨跨度10 米以內(nèi)矢跨比不大于1/3 的圓弧拱或者單跨跨度為5 米的半圓拱。

2.3.2 拱上增設(shè)梁跨

即在原石拱橋拱上填料范圍內(nèi)增設(shè)簡(jiǎn)支梁橋跨越，此方案施工簡(jiǎn)便，通常適用于單跨跨度不大于6 米的拱橋，以減小梁板的跨徑，降低設(shè)置梁橋蓋梁對(duì)原拱橋側(cè)墻強(qiáng)度的要求。

2.3.3 改善拱上填料

即將原拱腔內(nèi)填料換填為泡沫混凝土，在加強(qiáng)拱上聯(lián)合作用的同時(shí)很大程度減輕了拱上恒載，從而提高拱橋的承載能力，通常適用于單跨跨度不大于6 米的拱橋。

2.3.4 腹拱改梁

即將原來(lái)的拱上腹拱改為梁板跨越，其主要目的仍然是減輕拱上恒載，以提高拱橋承載能力，通常適用于單跨16 米-30 米的空腹式拱橋。

3 結(jié)語(yǔ)

躍進(jìn)橋于2018年底完成加固改造施工并全面開(kāi)放交通，此橋位于國(guó)道319 上，重車(chē)多且交通量大，加固至今使用狀況良好，未發(fā)現(xiàn)新的病害，加固效果顯著。通過(guò)對(duì)拱腹套拱加固方案的實(shí)例分析，說(shuō)明此方案是拱橋加固行之有效的可行方案之一，對(duì)于小跨度石拱橋加固具有一定的借鑒意義。

加固后平面

加固后立面