大跨徑輕型石砌肋板拱橋加固技術(shù)研究*

鐘正強(qiáng)， 劉宇

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

輕型石砌板肋拱的主要特點(diǎn)是輕型，為減少圬工數(shù)量、大幅度降低造價(jià)，該結(jié)構(gòu)從新的平鉸拱和連拱理論出發(fā)，力求在構(gòu)造上減輕自重并充分發(fā)揮聯(lián)合作用。輕型石砌肋板拱橋的施工工藝、理論計(jì)算方法及結(jié)構(gòu)構(gòu)造和傳統(tǒng)石拱橋相比都有很大區(qū)別。傳統(tǒng)石拱橋拱圈截面多為矩形，材料為塊石，而輕型石砌肋板拱橋拱圈截面為山形、凸形，采用小石子砼砌塊片石和方塊石鑲面。輕型石砌肋板拱和傳統(tǒng)石拱橋相比平均體積減少約35%，造價(jià)降低40%；與鋼筋砼梁橋結(jié)構(gòu)相比，造價(jià)降低25%～50%。輕型石砌肋板拱橋大多建于20世紀(jì)八九十年代，至今已服役三四十年。了解輕型石砌肋板拱橋目前的承載能力狀況并對(duì)其進(jìn)行加固改造，使其滿足現(xiàn)有交通需求，對(duì)在役輕型石砌肋板拱橋的正常使用及管理養(yǎng)護(hù)具有重要意義。

1 工程概況

湖南懷化地區(qū)辰溪縣柿溪大橋?yàn)橹袊?guó)首座輕型石砌肋板拱橋，建成于1979年。該橋建成后，輕型石砌肋板拱橋在湘西自治州及江西、四川等地得到大力推廣。

該橋全長(zhǎng)100 m，橋面全寬7.6 m、凈寬6.6 m，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為汽-15級(jí)，單幅雙向兩車道。上部結(jié)構(gòu)為1×60 m輕型石砌肋板拱，主拱圈形式為懸鏈線。主拱圈采用山形截面，中間肋板高1.3 m，邊緣肋板高0.75 m。腹拱為凈跨徑6.0 m、厚0.35 m等截面圓弧拱，拱上立墻厚0.4 m，立墻設(shè)置2個(gè)人行孔。拱頂橫斷面布置見圖1。

圖1 柿溪大橋拱頂橫斷面布置(單位：cm)

2 輕型石砌肋板拱加固設(shè)計(jì)

2.1 原橋承載能力評(píng)定

按照J(rèn)TG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，選取2種最不利荷載組合計(jì)算該橋主拱圈內(nèi)力。荷載組合Ⅰ為1.2恒載+1.4汽車荷載+0.75×1.4×0.7降溫15 ℃；荷載組合Ⅱ?yàn)?.2恒載+1.4汽車荷載+0.75×1.4×0.7升溫15 ℃。計(jì)算結(jié)果顯示：控制截面在2種荷載組合作用下的抗力小于荷載效應(yīng)值，表明該橋荷載等級(jí)不滿足現(xiàn)有交通需求，需對(duì)該橋進(jìn)行提質(zhì)改造。

2.2 加固設(shè)計(jì)

按式(1)計(jì)算，得該橋加固層厚度為0～0.15 m。

(1)

式中：H為新拱圈截面厚度；l0為拱橋凈跨；k為系數(shù)，荷載等級(jí)為公路-Ⅱ級(jí)時(shí)k=1.05，荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)時(shí)k=1.15。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出2種主拱圈加固方案：1) 主拱圈拱背填平。拆除橋面鋪裝、主拱圈拱頂填料及側(cè)墻；對(duì)主拱圈拱背截面進(jìn)行鉆孔植筋，澆筑C35鋼筋砼，澆筑后截面高1.3 m(與原拱圈中間肋齊平)；重砌拱頂側(cè)墻，填筑輕質(zhì)陶粒C20砼，施作橋面鋪裝[見圖2(a)]。2) 主拱圈拱底套拱。將拱圈底面鑿毛，通過鉆孔植筋的方式在主拱圈底面布設(shè)鋼筋網(wǎng)，澆筑15 cm厚C35鋼筋砼[見圖2(b)]。

圖2 拱頂加固設(shè)計(jì)示意圖(單位：cm)

采用這2種加固方案，拱腳截面和拱頂截面承載能力及偏心距在2種荷載組合作用下均能滿足要求。限于篇幅，僅給出主拱圈驗(yàn)算應(yīng)力值(見表1和圖3)。

圖3 2種加固方案下截面上下緣應(yīng)力

表1 加固前后主拱圈應(yīng)力值 MPa

2.3 加固方案對(duì)比分析

2.3.1 受力性能

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，采用主拱圈拱背填平和主拱圈拱底套拱2種加固方案對(duì)該橋進(jìn)行加固后，其承載能力都滿足現(xiàn)有交通荷載要求，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力都有一定改善。由表1可知：加固后，拱圈上下緣應(yīng)力均有所減少，特別是在拱腳上緣位置。采用拱背填平方案時(shí)，拱腳上緣位置最大應(yīng)力為-0.75 MPa，和原橋相比降低4.76 MPa，約占原結(jié)構(gòu)應(yīng)力的86.4%；采用拱底套拱方案時(shí)，拱腳上緣位置最大應(yīng)力為-2.43 MPa，和原橋相比降低3.08 MPa，約占原結(jié)構(gòu)應(yīng)力的55.9%。另外，拱背填平方案將原橋填料更換為輕質(zhì)陶粒C20砼，拱上建筑恒載大幅減小，結(jié)構(gòu)承受的自重也相應(yīng)減小。

2.3.2 施工條件

采用主拱圈拱底套拱加固方案，除需在拱座設(shè)置鋼圍堰外，還需搭設(shè)滿堂支架，施工較麻煩；主拱圈底面需配置鋼筋網(wǎng)，砼澆筑不僅施工困難，而且砼密實(shí)度無法保證；下緣砼澆筑無法確保能和原主拱圈完全聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體共同參與受力。主拱圈拱背填平方案施工較簡(jiǎn)單，僅需在拱座處設(shè)置鋼圍堰，而且加固部分能與原結(jié)構(gòu)較好地聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體。

2.3.3 經(jīng)濟(jì)適用性

主拱圈拱背填平方案不需搭設(shè)滿堂支架，和拱底套拱方案相比工程造價(jià)更低。但拱上側(cè)墻重砌及輕質(zhì)陶粒填料更換時(shí)需封閉橋梁，對(duì)當(dāng)?shù)亟煌ㄓ幸欢ㄓ绊憽?/p>

2.3.4 加固方案確定

從受力性能、施工條件及經(jīng)濟(jì)適用性方面綜合分析，采用主拱圈拱背填平方案對(duì)橋梁進(jìn)行加固，結(jié)構(gòu)受力性能改善更明顯，工程造價(jià)更低，故選用該方案進(jìn)行加固。

3 主拱圈加固效果評(píng)估

該橋加固完成后進(jìn)行靜載試驗(yàn)，對(duì)加固效果能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)估。在各試驗(yàn)荷載作用下，各截面撓度、應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值見圖4～7。

圖4 荷載組合Ⅰ作用下?lián)隙葘?shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

圖5 荷載組合Ⅱ作用下?lián)隙葘?shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

圖6 荷載組合Ⅰ作用下應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

由圖4～7可知：采用主拱圈拱背填平方案加固后，在各試驗(yàn)荷載作用下，橋梁各截面撓度、應(yīng)變實(shí)測(cè)值均小于理論值，卸載后，相對(duì)殘余變形(應(yīng)變)、撓度(應(yīng)變)校驗(yàn)系數(shù)均滿足規(guī)范要求。表明加固后橋梁承載能力和荷載等級(jí)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

通過對(duì)首座輕型石砌肋板拱橋進(jìn)行加固計(jì)算分析，確定最佳加固方案為主拱圈拱背填平。靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，加固后橋梁變形、應(yīng)變都處于彈性范圍，與加固前相比，橋梁總體剛度和強(qiáng)度有較大提升，加固效果良好，加固方案對(duì)輕型石砌肋板拱橋的加固改造具有借鑒意義。

圖7 荷載組合Ⅱ作用下應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比