套拱法在石拱橋加固中的應(yīng)用實(shí)例分析

江 林

(江西中煤建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000)

1 套拱法加固石拱橋原理及承載力計(jì)算

套拱法是通過在原主拱圈拱腹增設(shè)一層鋼筋混凝土套拱形成復(fù)合主拱圈。由于混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)兩種材料的線膨脹系數(shù)相近，在溫度變化時(shí)能協(xié)調(diào)變形，界面層不會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)變差，加之混凝土結(jié)構(gòu)彈性模量大于砌體結(jié)構(gòu)，新增的混凝土套拱能有效分擔(dān)荷載。

1.1 一般截面受壓承載力計(jì)算

石拱橋一般按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，當(dāng)構(gòu)件的受壓偏心距在限值范圍內(nèi)時(shí)，承載力按以下公式計(jì)算

γ0Nd<φAfcd

式中:γ0-結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Nd-軸向力設(shè)計(jì)值；A-構(gòu)件截面面積；fcd-砌體或混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；φ-構(gòu)件軸向力的偏心距e和長細(xì)比β對(duì)受壓構(gòu)件承載力的影響系數(shù)。

當(dāng)構(gòu)件的受壓偏心距在限值范圍外時(shí)，承載力按以下公式計(jì)算

式中:A-構(gòu)件截面面積；ftmd-構(gòu)件受拉邊緣的彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；W-構(gòu)件受拉邊緣的彈性抵抗矩；e-構(gòu)件軸向力偏心距；φ-砌體偏心受壓構(gòu)件承載力影響系數(shù)或混凝土軸心受壓構(gòu)件彎曲系數(shù)。

1.2 復(fù)合截面受壓承載力計(jì)算

對(duì)于復(fù)合主拱圈，當(dāng)構(gòu)件的受壓偏心距在限值范圍內(nèi)時(shí)，套拱后截面受壓承載力可保守的按下式計(jì)算

式中:A0、A1-分別表示砌石拱圈和套拱混凝土截面面積；fc0d、fc1d-分別表示砌體拱圈和套拱混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；φ-構(gòu)件軸向力的偏心距e和長細(xì)比β對(duì)受壓構(gòu)件承載力的影響系數(shù)。

當(dāng)構(gòu)件的受壓偏心距在限值范圍外時(shí)，套拱后的截面受壓承載力可考慮套拱內(nèi)的順橋向鋼筋參與作用，按預(yù)混規(guī)5.3.4節(jié)計(jì)算截面受壓承載力，復(fù)合截面以套拱混凝土截面面積為標(biāo)準(zhǔn)層截面面積按彈性模量比進(jìn)行換算。

復(fù)合截面上部受拉，下部受壓時(shí)，受壓承載力為

復(fù)合截面下部受拉，上部受壓時(shí)，受壓承載力為

Nu=fcdbx-σsAs

式中:fcd-混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b-構(gòu)件截面寬度；x-復(fù)合截面受壓區(qū)高度；σs-復(fù)合截面受拉邊順橋向鋼筋的應(yīng)力；As-受拉區(qū)順橋向普通鋼筋截面面積。

2 工程實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況及加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

江西省內(nèi)某橋全長51.4 m，橋面寬度為：6.0(行車道)+2×0.5 m(安全帶)，上部構(gòu)造為2×16 m實(shí)腹式圓弧線砌石板拱，橋梁矢跨比為1/5，下部構(gòu)造為重力式墩臺(tái)配擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋梁原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為“汽—15，掛—80”，加固設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為“公路Ⅱ級(jí)”。

經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)橋梁主要存在以下病害：(1)橋面鋪裝于橋跨拱腳、橋墩中心附近存在多條橫橋向通長裂縫，局部鋪裝層龜裂，混凝土缺失形成坑槽；(2)上下游側(cè)拱頂附近拱上側(cè)墻與主拱圈脫裂；(3)主拱圈局部存在砂漿抹面脫落、砌塊松動(dòng)及局部滲水現(xiàn)象。

針對(duì)以上病害情況，提出主要加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下： (1)對(duì)橋臺(tái)前墻及橋墩兩側(cè)外包20 cm厚 C35鋼筋混凝土以支撐主拱套拱；(2)主拱圈底部增設(shè)30 cm厚C40補(bǔ)償收縮混凝土套拱；(3)拆除橋跨段拱頂附近拱上側(cè)墻，采用C35素混凝土修復(fù)側(cè)墻至設(shè)計(jì)標(biāo)高；(4)拆除全橋橋面系，重做15 cm厚C40防水混凝土橋面鋪裝，下設(shè)10 cm～14.5 cm厚C15素混凝土墊層；(5)重做C35組合式鋼筋混凝土防撞護(hù)欄。

橋梁加固施工步驟為：橋墩臺(tái)前墻外包混凝土施工→主拱圈套拱施工→拆除橋面系施工→拆除并重做拱上側(cè)墻施工→重做橋面系施工。

套拱施工工藝大致如下：清理拱底表面→清洗→植筋→布置鋼筋網(wǎng)(或鋼筋骨架)→澆筑混凝土→養(yǎng)生。施工時(shí)植筋設(shè)置在牢固、堅(jiān)硬、未風(fēng)化、經(jīng)鉆孔后不崩裂的石材上，加強(qiáng)套拱與原砌石拱圈間的黏結(jié)。套拱混凝土沿拱軸線方向分段對(duì)稱、由拱腳自拱頂同步澆筑，并在澆筑套拱混凝土?xí)r預(yù)留灌漿修補(bǔ)孔供套拱混凝土終凝后通過修補(bǔ)孔壓注水泥凈漿來填塞新、老接合面間隙，確保套拱與原拱圈間的有效粘結(jié)。

2.2 套拱加固前后驗(yàn)算

橋梁主拱計(jì)算采用MIDAS軟件進(jìn)行建模，單個(gè)主拱圈分為32個(gè)梁單元。選取“公路Ⅱ級(jí)”荷載等級(jí)及構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)最不利組合下控制截面進(jìn)行檢算，考慮承載能力檢算相關(guān)系數(shù)后，套拱前主拱圈結(jié)構(gòu)內(nèi)力檢算結(jié)果表1所示。

由表1檢算結(jié)果表明，在“公路Ⅱ級(jí)”荷載等級(jí)的作用下，套拱前拱橋主拱圈的承載力不滿足要求。

同樣，采用MIDAS軟件對(duì)套拱后主拱圈進(jìn)行驗(yàn)算。選取“公路Ⅱ級(jí)”荷載等級(jí)及構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)最不利組合下控制截面進(jìn)行檢算，考慮承載能力檢算相關(guān)系數(shù)后，套拱后主拱圈結(jié)構(gòu)內(nèi)力檢算結(jié)果表2所示。

表1 主拱圈結(jié)構(gòu)內(nèi)力檢算結(jié)果一覽表(1)

表2 主拱圈結(jié)構(gòu)內(nèi)力檢算結(jié)果一覽表(2)

由上表檢算結(jié)果表明，在“公路Ⅱ級(jí)”荷載等級(jí)的作用下，套拱后拱橋主拱圈的承載力滿足要求，套拱前后主拱圈控制截面的承載力提升110%～130%。

3 結(jié) 語

采用套拱法加固石拱橋可有效提高石拱橋承載力。同時(shí)，對(duì)于拱底出現(xiàn)的砌塊松動(dòng)、拱圈縱橫向裂縫等病害能起到有效的封閉作用。對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、年久失修的危舊石拱橋進(jìn)行必要的加固，提高其通行能力和服務(wù)水平，是維護(hù)公路交通正常運(yùn)營的積極措施，其意義及影響是深遠(yuǎn)的。