石拱桥加固方法及力学行为研究

刘清霖，周志祥，李永久

（重庆交通大学 土木建筑学院，重庆400074）

1 大溪河大桥加固设计原则

设置新结构扶助旧结构，有效降低旧结构负载；强化新结构，提高新旧结合桥梁承载力，尽量减少对原结构的再次损伤，加固措施注重考虑实施的可行性、相符性和安全性。

针对石砌拱圈存在比较严重的病害问题，提出用L型钢筋混凝土拱肋加固石砌拱圈的方法，并对此方法的可行性、合理性、经济性及承载能力进行分析和实例论证。着重介绍大桥各个关键部位的加固构造以及加固后的性能分析。

用L形钢筋混凝土肋加固拱桥是在钢筋混凝土套箍理论上衍生而来，作用机理包括了截面增大、“套箍效应”和断裂力学机理。

1）截面增大效应。钢筋混凝土套箍加固拱桥主要是依靠锚杆（或植筋）以及现浇混凝土本身强大的粘结力，使现浇混凝土层和原主拱圈层紧密结合在一起，达到共同承担活载，改善结构受力（使结构内力分配更加合理和均匀）的目的。未加固时（即原拱桥结构），主拱圈极限承载力的验算方式为

γ0Nd＜φAfcd.式中:γ0为结构重要系数，Nd为轴向力设计值，A为原主拱圈截面面积，fcd为砌体轴心抗压强度设计值，φ为构件承载力影响系数；

加固主拱之后，仅考虑结构截面增大条件下，复合主拱圈极限承载力强度计算式为

式中:A1为钢筋混凝土加固层面积，fc1d为加固层混凝土轴心受压强度设计值；

从上面两式可以看出采用钢筋混凝土套箍加固后其极限承载力明显提高。

2）套箍效应。钢筋混凝土套箍层的增加，原主拱圈在活载作用下呈三向受压状态。由于侧压限制，主拱圈内部裂缝的产生和发展被抑制；利用结构在三向受压状态下其强度提高的原理，通过沿主拱圈增设钢筋混凝土套箍，使原主拱圈强度得到提高，这就是所谓的“套箍效应”。

广义虎克定律中指出:任何材料当其受到双向或三向压应力时，材料中各单元体的各棱边总变形均比单向应力时棱边变形小，即:

因此，核心材料在三向应力状态下由于其横向应变减小、构件内部连续性提高，因而大幅度提高材料的承载力。

3）断裂力学机理。石拱桥材料选用和其施工质量不易控制，主拱圈砌缝和砌块表面和内部存在天然微裂缝，该阶段微裂缝较小，对主拱圈截面不足造成较大损伤，随着荷载长期作用结构上，加上超速、超重车辆增多以及荷载等级提高，伴随着材料自身风化、剥蚀现象，拱桥微裂缝不断扩展，主拱截面受到的拉应力超过了材料本身容许应力值，主拱圈出现了肉眼能见的裂缝。如果裂缝持续发展，将会使拱桥处于危险状态，而采用主拱圈套箍，能使裂缝变成结构内部裂缝，从断裂力学的角度来讲，只要内部裂缝不持续发展，结构将处于安全状态，从钢筋混凝土套箍层加固主拱圈的实际情况看，由于套箍层和主拱圈在链接之前已植入钢筋进行整体性连接，并有强大的环向箍筋，当主拱圈裂缝扩展时，套箍层会产生抑制裂缝开展的力，大大减小裂缝处的应力强度因子，起到积极抑制裂缝发展的作用。

拱桥主拱的受力一般是拱脚区段受到负弯矩，然后由拱脚向拱顶过渡，在拱顶处受到最大正弯矩，在拱脚区段设置混凝土套箍形式，在拱顶及过渡区段设置L形肋的形式，这正好符合拱桥的受力机理，也大大节约了原材料。

图1 石拱桥加固方案

2 方案选择

2.1 加固方案

1）采用在主拱拱脚两侧各增加一个外包槽形钢筋混凝土的方式对主拱进行加固。U型套箍在主拱两侧60cm的上下缘位置及拱侧增设30cm外包槽形钢筋混凝土拱肋，加固方案如图1所示。该外包槽形混凝土拱肋在拱脚处与新增拱座外包混凝土相连，形成一个新增的钢筋混凝土肋拱框架。其余拱圈位置新增L形钢筋混凝土肋，减少原石砌主拱受力，提高拱桥承载力。

2）主拱纵向裂缝进行灌缝处置；

3）在主拱拱背的横墙底梁位置处增设钢筋混凝土框架横联，增强主拱结构的整体性；

2.2 施工流程

1）拆除主拱桥面系及拱上填料；

2）浇筑加固层；

3）浇筑垫梁和横墙混凝土；

4）浇筑腹拱加固层；

5）拱上填料、桥面系及二期恒载；

6）考虑混凝土收缩徐变。

本次改造采用有限元结构分析程序Midas civil对结构进行分析。分析内容包括拆除和改造施工全过程，计算内容包括全桥结构。建模中模拟施工顺序如图2所示。

图2 MIDAS中模拟施工顺序

3 施工阶段主拱内力变化

3.1 施工阶段划分

根据加固设计所采用的该桥加载程序，将计算阶段划分为7个施工阶段，见表1。

表1 施工阶段划分表

3.2 验算说明

1）应力受拉为“＋”，受压为“－”，单位:MPa；

2）位移结果向上为“＋”，向下为“－”，单位:m。

3）根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG／T J21－2011）第5.3.1.1条计算式，主拱拱圈旧桥检算系数Z1＝0.95，截面折减系数ζc＝0.93。

4）根据《公路圬工桥涵设计规范（JTG D61－2005）》第5.1.1条和5.1.8条，当采用公路－Ⅰ级、公路－Ⅱ级车道荷载计算拱的正弯矩时，自拱顶至拱跨1／4各截面应乘以0.7折简系数；拱脚截面乘以0.9折减系数；拱跨1／4至拱脚各截面，其折减系数按直线插入法确定。计算拱圈的温度变化时，作用效应可乘以0.7的折减系数。

5）短暂状况构件的应力验算:根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62－2004）》7.2.4施工阶段砼压应力σtcc≤0.80f′ck，根据《公路圬工桥涵设计规范（JTG D61－2005）》3.3.3规定。因而，对于主拱浆砌块石的拉应力不得超过0.063MPa，C40 混 凝 土 压 应 力 不 得 超 过21.44MPa。

3.3 施工阶段应力分析

第一阶段:拆除原拱桥拱上填料。大溪河大桥加固工程施工第一阶段主拱应力如图3所示，主拱在拆除桥面系和拱上填料后全截面处于受压状态，出现在拱脚区段下缘，最大压应力为1.44MPa，施工中并未出现拉应力，主拱施工安全。

图3 大溪河加固工程第一阶段主拱应力

第二阶段:浇筑主拱拱圈单元上混凝土及横系梁。

第三阶段:主拱拱圈上砼结构参考主拱受力。计算模拟了主拱加固层混凝土参与工作前后主拱及加固层内力变化，结果如图4～图6所示。在混凝土未达到强度前，原主拱承受加固混凝土全部重量，主拱在拱顶附近出现拉应力，最大值为0.06 MPa，满足规范规定；其余截面均处于受压状态，最大压应力为1.98MPa，出现在L／4主拱下缘。

图4 混凝土未凝固前主拱应力

图5 混凝土参加工作主拱应力

图6 混凝土参加工作加固层应力

混凝土到达凝期后，和主拱共同工作，原主拱拱顶拉应力减小，拉应力由新增混凝土承受，如图6所示，新增混凝土在两侧拱脚和拱顶附近为压应力，其余截面均为拉应力，最大拉应力出现在两侧横墙附近为1.72MPa，满足规范规定值。

第四阶段:浇筑腹拱单元上混凝土加固层。此阶段主要模拟横墙加固完成后浇筑腹拱混凝土增强层，主拱各截面内力变化如图7和图8所示。

图7 第四阶段主拱应力

图8 第四阶段混凝土加固层应力

从结果可以看出，原石砌主拱在这个阶段拱顶拉应力完全消失，各个截面均呈现出受压状态，最大压应力为1.98MPa，同时C40加固层在拱脚位置出现极大的拉应力状态，最大值为2.8MPa。考虑到建模时未考虑拱脚上下横联参与工作的因素，拱脚内力可能出现失真状态。主拱整体受力在这个阶段达到了最危险状态，施工时应密切注意拱脚位置混凝土内力的变化。

第五阶段:腹拱桥单元上混凝土形成结构并参与工作。

在腹拱参与工作后，主拱各个截面内力如图9和图10所示。

图9 第五阶段主拱应力

分析结果表明，在这个阶段主拱C40加固层混凝土在两侧拱脚拉应力减小至2.34MPa，这是由于在加固腹拱混凝土只是作为重量增加在结构上，在与腹拱形成整体参与工作后，拱上联合作用使得主拱受力更加有利，使得拱脚拉应力恢复到正常水平。

图10 第五阶段混凝土加固层应力

第六、七阶段:施工填料及桥面铺装及二期恒载。此阶段主要计算拱上填料、桥面系及附属结构施工完毕后主拱内力（如图11和图12所示），计算结果显示，主拱加固层拱脚位置由拉应力变成了压应力，主拱各截面最大拉应力出现在拱顶，最大值为1.11MPa，满足规范要求，主拱受力良好。

图11 施工完毕后主拱应力

图12 施工完毕后混凝土加固层应力

4 结 论

为采用L形钢筋混凝土肋加固主拱，计算结果表明，能有效改善主拱受力状态，主拱应力分布均匀，仅在个别截面出现了极小的拉应力:在最不利荷载组合下，石砌拱顶下缘为0.1MPa，加固层混凝土下缘为0.36MPa，其余截面均为全截面受压。拱桥加固后工作性能良好，在正常使用阶段主拱刚度满足规范要求（正负挠度绝对值之和为1.1cm，远远小于L／1 000）受力良好。

提出L形钢筋混凝土肋加固主拱施工工艺，设计更加灵活，施工过程易于控制，主拱增加拱肋在加固后减轻了原主拱的的受力。

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