型鋼套拱在圬工拱橋加固中的應(yīng)用

■游德泉

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

我國修筑圬工拱橋歷史悠久，20 世紀(jì)70-80 年代，因具有就地取材方便、造價低、無需鋼筋水泥材料、無需大型施工機(jī)械、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)，在福建省石材資源豐富地區(qū)圬工拱橋得到廣泛應(yīng)用。 但隨著交通行業(yè)大規(guī)模的路網(wǎng)建設(shè)與物流行業(yè)的發(fā)展，通行車輛的荷載等級不斷提升，圬工拱橋也逐漸暴露出病害情況以及承載能力不足的問題， 亟待加固。特別是超重車輛通行可能會對橋梁造成不能恢復(fù)的損傷，致使結(jié)構(gòu)在正常使用時的工作狀態(tài)發(fā)生變化，危害橋梁的耐久性及安全性。 超重車輛是指車輛裝載貨物（設(shè)備）總重量或軸重在橋梁的作用超過設(shè)計(jì)活載的車輛。 超重車輛的總重、軸重、輪重、軸距、輪距等技術(shù)參數(shù)與設(shè)計(jì)規(guī)范中的車輛荷載參數(shù)有很大的不同，超重車輛總重大、軸載大，其會對橋梁產(chǎn)生疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至造成結(jié)構(gòu)破壞事故。 因此在超重車輛通行前，需要進(jìn)行橋梁承載能力評定，對承載能力不滿足的橋梁需進(jìn)行加固處理后再進(jìn)行通行安全性評估。 常見的圬工拱橋加固方法主要有：增大主拱截面、調(diào)整拱上建筑恒載以及增強(qiáng)橫向整體性等方法[1]。其中增大主拱截面的加固方法根據(jù)施工工藝不同又分為：現(xiàn)澆混凝土法、粘貼鋼板法、掛網(wǎng)噴射高強(qiáng)混凝土法和型鋼套拱法等。 而型鋼套拱方法在隧道工程維修加固中運(yùn)用較多[2]，在橋梁工程上可參考經(jīng)驗(yàn)較少。 本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用型鋼套拱方法對圬工拱橋進(jìn)行加固， 以提升圬工拱橋的承載能力。

1 工程簡介

閩粵聯(lián)網(wǎng)工程屬福建省重點(diǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目工程運(yùn)輸換流變壓器車貨總重達(dá)506 t，最大軸荷載26.88 t，屬于超大超重運(yùn)輸。運(yùn)輸線路全程約為63 km，途經(jīng)云霄境內(nèi)諸多國省道干線以及縣道老舊橋梁與涵洞。后坑埔橋位于國道357 上（圖1），屬國道修建之初的先行工程，無設(shè)計(jì)及相關(guān)養(yǎng)護(hù)資料。 現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明：后坑埔橋?yàn)閱慰综毓て鲶w結(jié)構(gòu)，道路寬8.10 m， 橫向布置為0.55 m 左側(cè)防撞護(hù)欄＋7.00 m機(jī)動車道＋0.55 m 右側(cè)防撞護(hù)欄。 圬工砌體結(jié)構(gòu)凈跨徑9.97 m，主拱圈橫向?qū)?.00 m，為單層巖石塊砌筑，拱上側(cè)墻為巖石塊砌筑；下部結(jié)構(gòu)橋臺為擴(kuò)大基礎(chǔ)。 對于此類“三無”橋梁，需要對該橋開展基于超重車輛的承載能力評定。

圖1 后坑埔橋通行前狀況

2 圬工拱橋的承載能力檢測評定

根據(jù)規(guī)范[3]，超重車輛通行需要檢算橋跨結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下相應(yīng)的作用效應(yīng)組合和構(gòu)件相應(yīng)的承載力等。 承載能力極限狀態(tài)作用的效應(yīng)組合中超重車輛通行屬于偶然短暫荷載，檢算的效應(yīng)組合為橋梁的承載能力極限狀態(tài)偶然組合。 作用的效應(yīng)設(shè)計(jì)值按照以下公式計(jì)算：

各參數(shù)見JTG D60-2015 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》， 荷載組合依據(jù)實(shí)際調(diào)查情況恒載系數(shù)采用1.0，特載系數(shù)采用1.1，溫度系數(shù)采用（1.1×0.75），不計(jì)車輛的制動力及汽車沖擊力。 本項(xiàng)目圬工橋梁承載能力極限狀態(tài)應(yīng)根據(jù)橋梁檢測結(jié)果依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

γ0S≤R（fd，ξcad）Z1（2）

各參數(shù)意義見規(guī)范[3]，其中：一級橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)為γ0=1.1，二級橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)為γ0=1.0。

2.1 結(jié)構(gòu)缺損狀況檢查及技術(shù)狀況等級評定

該檢測評定工作開展主要依據(jù)規(guī)范[4]，評定采取分層綜合評定與5 類橋梁單項(xiàng)控制指標(biāo)相結(jié)合的方法，按照“橋涵構(gòu)件→部件→分部結(jié)構(gòu)→總體”的順序進(jìn)行綜合評定。 對于圬工拱橋主要是關(guān)注主拱圈以及橋臺基礎(chǔ)的技術(shù)狀況等級。 圬工拱橋主拱圈構(gòu)件，雖無現(xiàn)場檢查缺陷，但由于檢測前一段時間并無明顯降水，對于主拱圈是否存在滲水等缺損情況無法準(zhǔn)確判斷。 即便無現(xiàn)場檢查缺陷結(jié)果，也不能按照1 類結(jié)構(gòu)評定。 因此該橋整體技術(shù)狀況等級評定為2 類。

2.2 結(jié)構(gòu)材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測

為配合后期的檢算需求，針對性地開展檢測項(xiàng)目。 圬工拱橋檢測內(nèi)容包括：尺寸復(fù)核（含上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大基礎(chǔ)）、拱軸線及橋面線形檢測、砂漿強(qiáng)度推定、結(jié)構(gòu)基頻。 通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，還原了結(jié)構(gòu)尺寸（圖2），實(shí)測矢跨比為0.20，砂漿抗壓強(qiáng)度推定值為14.38 MPa，為后期檢算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖2 橋梁整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 基于超重車輛荷載的結(jié)構(gòu)檢算

綜合現(xiàn)場檢測的結(jié)果，對橋涵結(jié)構(gòu)開展基于超重車輛荷載的結(jié)構(gòu)檢算。 對于圬工拱結(jié)構(gòu)，主要檢算主拱圈拱頂、四分點(diǎn)及拱腳截面的強(qiáng)度。 本項(xiàng)目中采用三軸裝載車（圖3），軸重為26.88 t，軸重力過大，對主拱圈結(jié)構(gòu)，特別是拱頂位置產(chǎn)生較大的彎矩，結(jié)構(gòu)處于大偏心的受力狀態(tài)，圬工結(jié)構(gòu)的控制截面強(qiáng)度均不滿足通行的承載能力要求檢算結(jié)果。

圖3 運(yùn)輸車輛裝載結(jié)構(gòu)示意圖

3 型鋼套拱加固及安全性評價

3.1 加固方案比較分析

目前所采用的方法為增大截面法，為滿足運(yùn)輸方運(yùn)輸工期近、運(yùn)輸次數(shù)多、軸重大等要求，基于加固效果、工期、耐久性、對原結(jié)構(gòu)的影響、對交通影響及造價等多方面比較（表1），本工程最終選定型鋼套拱的加固方案。

表1 后坑埔橋加固方案比選

3.2 型鋼套拱加固方案及實(shí)施要點(diǎn)

本橋加固總體方案是在拱圈底緣錨固型鋼拱架，與原拱圈協(xié)同受力，共同承受超重特載車輛作用。 型鋼拱架底座放置于新增砼基礎(chǔ)上，構(gòu)造如圖4～5 所示。 主拱圈采用HW350×350×12×19 型鋼套拱加固，型鋼與原主拱圈底緣采用錨栓固定，種植深度130 mm，與原拱圈協(xié)同受力，共同承受超重特載車輛作用。 型鋼套拱拱腳與新增砼基礎(chǔ)頂面預(yù)埋鋼板焊接。 加固后橋梁現(xiàn)狀如圖6 所示。 施工順序簡述如下：（1）首先進(jìn)行型鋼立柱（2HN500×200×10×16）混凝土基礎(chǔ)施工，預(yù)埋型鋼立柱基礎(chǔ)鋼板。（2）臨時中斷橋面交通，在合龍口用液壓千斤頂同步對頂型鋼拱架，達(dá)到設(shè)計(jì)對頂力后，穩(wěn)定1 h，再在有型鋼拱架與拱圈底緣有空隙位置逐個擰緊錨栓，用黏膠劑灌縫，待黏膠劑到達(dá)固化時間后，完成套拱安裝，開放交通。

圖4 加固施工設(shè)計(jì)立面圖

圖5 加固施工設(shè)計(jì)橫斷面圖

圖6 加固后橋梁現(xiàn)狀圖

施工過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）施工單位進(jìn)場后，須先對原橋相關(guān)構(gòu)造尺寸進(jìn)行復(fù)測，確保尺寸、標(biāo)高無誤后方可進(jìn)行下料加工。 （2）必須確保套拱拱架與原拱圈間的密貼，現(xiàn)場施工時必須確保所有螺栓擰緊到位、型鋼拱架與拱圈底緣間間隙注膠填滿。 （3）本橋加固施工完后，應(yīng)按超重特載車輛荷載等級進(jìn)行荷載試驗(yàn)，荷載評定通過后方可通過超重車輛。

3.3 有限元檢算評價

運(yùn)用Midas Civil 有限元軟件建立加固后橋梁模型，并與加固前的模型進(jìn)行對比。 模型的建立基于如下假設(shè)：加固的型鋼套拱與原圬工拱圈剛性連接，采用新增型鋼套拱與原圬工拱橋主體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)、單元等位移協(xié)同受力的方式， 新增節(jié)點(diǎn)與原節(jié)點(diǎn)采用彈性連接方式，模型如圖7 所示，內(nèi)力圖如圖8 所示。 主拱圈截面強(qiáng)度檢算結(jié)果見表2。

圖7 型鋼套拱加固后有限元模型圖

圖8 加固后橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力彎矩圖

表2 主拱圈截面強(qiáng)度檢算結(jié)果

3.4 實(shí)際荷載法評價

對橋梁現(xiàn)場開展靜載試驗(yàn)，參與試驗(yàn)的車輛以載重45 t 三軸載重車輛為主（圖9），橫向軸重最大可以達(dá)到31.5 t， 以保證試驗(yàn)荷載效率能夠達(dá)到0.95 以上，滿足規(guī)范[5]要求。 荷載試驗(yàn)主要測試在試驗(yàn)車輛作用下結(jié)構(gòu)撓度、應(yīng)變、裂縫等參數(shù)變化情況。 對于圬工連拱結(jié)構(gòu)，需要測試全橋布載狀態(tài)下主拱圈變形以及橋臺水平位移。 試驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，殘余變形小于20%，根據(jù)規(guī)范[5]的評價指標(biāo)，加固后的橋涵能夠滿足大件運(yùn)輸通行要求。

圖9 實(shí)際荷載法現(xiàn)場加載車輛

3.5 通行前試運(yùn)行的監(jiān)測

大件設(shè)備正式運(yùn)輸通行前，采用1.1 倍的貨物重量進(jìn)行模擬運(yùn)輸。運(yùn)輸過程中對主拱跨中及1/4 跨、3/4 跨位置處豎向及橫向變形進(jìn)行實(shí)時跟蹤監(jiān)測。

4 結(jié)語

（1）圬工拱橋建造工藝歷經(jīng)上千年的歷史，在社會主義現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程中，在超重車輛的通行實(shí)際中仍舊發(fā)揮著承載作用；（2）早期修建的圬工拱橋在較大的車輛荷載及軸載作用下，主拱圈截面強(qiáng)度無法滿足承載能力要求；（3）在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)加固多次通行超重車輛的圬工橋梁項(xiàng)目上，較現(xiàn)澆混凝土、掛網(wǎng)噴射高強(qiáng)混凝土加固方案，型鋼套拱加固方案具有時間上、經(jīng)濟(jì)上、效果上的較大優(yōu)勢，其可在結(jié)構(gòu)恒載增加較少的情況下取得較好的加固效果；（4）通過有限元模型檢算以及實(shí)際荷載法，綜合驗(yàn)證型鋼套拱加固技術(shù)的可靠性，加固后圬工拱橋結(jié)構(gòu)承載能力得到提升，值得推廣應(yīng)用；（5）對型鋼套拱加固后的橋梁結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)工作提出新的要求，在鋼結(jié)構(gòu)防腐、防銹以及黏膠耐久性方面值得商討與改進(jìn)。 綜上所述，采用型鋼套拱方案加固后的圬工拱橋承載能力有了很大的提高，截面抗壓強(qiáng)度性能有很大的改觀，表明該方案合理有效[6]，可為類似加固工程提供借鑒和參考。