石拱桥加固技术分析

武 文 静

(山西长治公路勘察设计院，山西 长治 046000)



石拱桥加固技术分析

武 文 静

(山西长治公路勘察设计院，山西 长治 046000)

结合国道208线司庄二桥的病害特点，从三铰拱竖向位移和连拱效应两方面，分析了该桥病害的产生原因，并提出了将原桥拱型腹拱拆除，换作板式腹拱的拱桥加固技术，保证了桥梁运营的安全性。

桥梁，连拱效应，板式腹孔，加固措施

0 引言

空腹式拱桥拱上建筑的腹孔形式大致分为两类，一类是拱式腹拱，另一类是梁板式腹孔。本文以国道208线司庄二桥加固设计为工程背景，通过计算分析提出一种将原桥拱式腹拱圈改为板式腹孔的加固方案。

1 工程概况

司庄二桥位于208国道长治市武乡县境内的昌源河上，建成于1996年。原桥设计标准为汽车—20级，挂车—100，桥面全宽9.5 m(2×0.5+8.5)，桥长188.39 m。原桥拱上建筑采用空腹式拱型腹孔结构，腹拱跨径为5 m，腹拱厚为0.35 m，腹拱墩(横墙)采用圬工砌体，宽度为1 m。引桥采用3.8 m和5 m两种跨径的板桥，长治方向边跨由于上跨省道东长线，采用了1-13 m简支空心板，引桥桥墩为宽度1 m和1.5 m的浆砌块石，U型桥台整体式扩大基础。

2 原桥病害原因分析

2.1 原桥病害

该桥修建于1996年， 2006年发现原石砌三铰腹拱勾缝脱落、砌石松动，特别是长治方向的三铰拱，由于拱石松动脱落导致腹拱上桥面出现沉降变形等病害。对此，同年曾进行过一次加固，加固方案是将原桥石砌三铰腹拱圈改造成混凝土三铰腹拱，但改造完成投入运营后，在2010年年底发现长治方向三铰腹拱拱顶变形缝出现明显的沉降，两个半拱间错台达2 cm～3 cm，冬季低温时达3 cm～5 cm，左侧镶嵌的拱头石最大沉降达10 cm左右，特别是在冬季气温较低时，还能听见腹拱圈变形缝中夹着的木板发出“吱吱”的响声，由于腹拱的错位变形，致使该腹拱顶的混凝土桥面也产生多条横向裂缝，车辆通过时，断裂的混凝土桥面板形成“翘翘板”现象，使得该三铰腹拱上桥面颤动严重，在桥面上能听到明显的跳车声音，进而加剧了三铰拱的错位，加重了腹拱的病害。

2.2 病害原因分析

通过计算和分析，病害主要原因是三铰拱竖向位移不满足规范要求和连拱效应。

2.2.1 三铰拱竖向位移

对原桥结构按照原设计时采用的荷载等级进行了验算，经验算，在汽—20级荷载作用下，主桥太原和长治方向的两个三铰拱拱顶截面强度满足承载能力极限状态的要求，但两个方向的两个三铰拱拱顶位置在最不利荷载的作用下产生的竖向位移值均大于规范规定的限值，不满足该处截面正常使用极限状态的要求。由于桥位处昼夜温差大，冬季温度低，根据原结构模型按照结构整体降温20 ℃考虑，长治与太原方向的三铰拱下挠值分别13.6 mm,11.6 mm，与大桥在低温时产生的病害情况基本相符。另外该桥在2006年改造完毕后，交通量剧增，混合交通量由原来的3 000辆/d增加为8 000辆/d左右，且大部分为重载车辆，活载的增加也是导致腹拱拱顶竖向位移量增加的原因之一。

验算截面位置图见图1。

2.2.2 连拱效应

司庄二桥长治方向引桥由5-5 m的连拱与1-13 m的板构成，通过现场病害勘察及桥梁理论模型计算，均发现长治方向的病害远比太原方向严重。连拱的显著特点是各拱跨结构与桥墩一起共同作用，多孔拱桥在荷载作用下，桥墩和拱跨结构都会产生弹性变形，各拱结点会产生水平位移和转角。单拱上的荷载传至拱脚产生竖向压力和水平推力，连拱的中间各个拱脚左右来的水平推力因方向相反，大小相等而平衡，没有水平位移，只剩下竖向压力传递给基础。但司庄二桥长治方向最后一个连拱与一孔板式桥相连，在单向墩上势必会产生水平位移，通过连拱效应传至主桥腹拱。一般而言，桥墩相对拱圈愈细柔，拱墩节点的水平位移愈大，连拱的影响愈显著；反之，桥墩相对拱圈愈刚劲，节点水平位移愈小，连拱的影响亦愈小。仅当桥墩相对拱圈的刚度接近无限大时，在荷载作用下，各拱墩节点才不会产生变位。但在实际中桥墩的刚度不可能为无限大，司庄二桥采用宽度为1 m的圬工砌体桥墩，在这种情况下，肯定会受到连拱作用的影响。

3 加固措施

为彻底解决腹拱圈的病害问题，本次加固的设计方案是将原腹拱圈、拱上填料和桥面铺装全部拆除，相应接长原腹拱墩，将拱上建筑由原来的拱型腹孔改为板式腹孔，即腹拱“换板”，重做桥面铺装和钢筋混凝土防撞墙。同时保证“换板”前后拱上建筑的恒载基本不变，确保采用原桥相同的拱轴系数。

3.1 原拱上空腹段的恒载计算

以一孔腹拱沿横向1 m作为计算单元，如图2所示，取腹孔结构材料容重r1=24 kN/m；拱上填料容重r2=20 kN/m。

一个腹拱重：P1=46.937 5+34.607 9+57.522 5+24.026 1=163.094 0 kN。

P2=46.937 5+34.607 9+59.094 3+24.386 9=165.026 6 kN。

P3=46.937 5+34.607 9+62.693 1+24.928 0=169.166 5 kN。

P4=46.937 5+34.607 9+65.836 7=147.382 1 kN。

横墙重：

作用在腹拱墩上的集中力：

P28=4.486 1+(147.382 1×0.5)=78.177 2 kN。

3.2 换板后的恒载计算

以一孔腹拱沿横向1 m作为计算单元，如图3所示，取混凝土容重r3=25 kN/m；钢筋混凝土容重r4=26 kN/m；沥青混凝土容重r5=23 kN/m。

接长腹拱墩重：1×0.26×25=6.5 kN;

新建墩帽重：1.2×0.7×25=21.0 kN;

钢筋混凝土板重：6×0.4×26=62.4 kN;

混凝土桥面铺装重：6×0.1×26=15.6 kN;

沥青混凝土铺装重：6×0.1×23=13.8 kN;

一孔腹拱总重：6.5+21.0+62.4+15.6+13.8=119.3 kN。

作用在腹拱墩上的集中力：

P25=193.593 9+119.3=312.893 9 kN;

P26=114.446 7+119.3=233.746 7 kN;

P27=55.255 5+119.3=174.555 5 kN;

3.3 板式腹孔与拱型腹孔恒载对比

由3.1,3.2分别计算出拱型腹孔与板式腹孔的恒载，并计算出相应腹拱墩上的集中力，“换板”前后拱上建筑恒载对比见表1。

表1 “换板”前后拱上建筑恒载对比表 kN

3.4 腹拱墩配重计算

各腹拱墩需要增设的厚度如下：

1号腹拱墩需要增设的厚度:

d=44.760 3/26/8.435=0.204m。

2号腹拱墩需要增设的厚度:

d=47.796 6/26/5.137 2=0.358m。

3号腹拱墩需要增设的厚度:

d=38.974 3/26/2.670 9=0.561m。

4号拱座需要增设的厚度:

d=14.038 1/26/1.010 1=0.535m。

将原桥腹拱换成板式腹孔并作相应的配重后见图4。

4 结语

由于桥梁病害的多样性，在国内外也形成了各种不同的加固方法，针对桥梁不同部位的病害，在桥梁加固设计时，设计者应该结合工程实际情况，进行充分的病害实地调查，通过认真的分析与计算，对不同桥梁不同病害提出科学的加固方案，从而使加固方案做到技术上安全可靠，造价上经济合理，质量上经久耐用。

[1] JTJ 021—1989，公路桥涵设计规范[S].

[2] 高冬光.公路桥涵设计手册[M].北京：人民交通出版社，2000.

The study on the reinforcement technology of bridge

Wu Wenjing

(ShanxiChangzhiHighwaySurveyDesignInstitute,Changzhi046000,China)

Combining with the diseases features of Sizhuang Second Bridge along the National Line 208, the paper analyzes the reasons for the diseases of the bridges from the triple hinged vertical displacement and multiple arch effect, and points out the demolition of the web arch of the former bridge with the slab arch, so as to ensure the safety of the bridge operation.

bridge, multiple arch effect, slab abdominal hole, reinforcement measure

1009-6825(2017)10-0191-03

2017-01-23

武文静(1984- )，女，工程师

U445.72

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