大跨径轻型石砌肋板拱桥加固技术研究*

钟正强， 刘宇

(长沙理工大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410114)

轻型石砌板肋拱的主要特点是轻型，为减少圬工数量、大幅度降低造价，该结构从新的平铰拱和连拱理论出发，力求在构造上减轻自重并充分发挥联合作用。轻型石砌肋板拱桥的施工工艺、理论计算方法及结构构造和传统石拱桥相比都有很大区别。传统石拱桥拱圈截面多为矩形，材料为块石，而轻型石砌肋板拱桥拱圈截面为山形、凸形，采用小石子砼砌块片石和方块石镶面。轻型石砌肋板拱和传统石拱桥相比平均体积减少约35%，造价降低40%；与钢筋砼梁桥结构相比，造价降低25%～50%。轻型石砌肋板拱桥大多建于20世纪八九十年代，至今已服役三四十年。了解轻型石砌肋板拱桥目前的承载能力状况并对其进行加固改造，使其满足现有交通需求，对在役轻型石砌肋板拱桥的正常使用及管理养护具有重要意义。

1 工程概况

湖南怀化地区辰溪县柿溪大桥为中国首座轻型石砌肋板拱桥，建成于1979年。该桥建成后，轻型石砌肋板拱桥在湘西自治州及江西、四川等地得到大力推广。

该桥全长100 m，桥面全宽7.6 m、净宽6.6 m，设计标准为汽-15级，单幅双向两车道。上部结构为1×60 m轻型石砌肋板拱，主拱圈形式为悬链线。主拱圈采用山形截面，中间肋板高1.3 m，边缘肋板高0.75 m。腹拱为净跨径6.0 m、厚0.35 m等截面圆弧拱，拱上立墙厚0.4 m，立墙设置2个人行孔。拱顶横断面布置见图1。

图1 柿溪大桥拱顶横断面布置(单位：cm)

2 轻型石砌肋板拱加固设计

2.1 原桥承载能力评定

按照JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》，选取2种最不利荷载组合计算该桥主拱圈内力。荷载组合Ⅰ为1.2恒载+1.4汽车荷载+0.75×1.4×0.7降温15 ℃；荷载组合Ⅱ为1.2恒载+1.4汽车荷载+0.75×1.4×0.7升温15 ℃。计算结果显示：控制截面在2种荷载组合作用下的抗力小于荷载效应值，表明该桥荷载等级不满足现有交通需求，需对该桥进行提质改造。

2.2 加固设计

按式(1)计算，得该桥加固层厚度为0～0.15 m。

(1)

式中：H为新拱圈截面厚度；l0为拱桥净跨；k为系数，荷载等级为公路-Ⅱ级时k=1.05，荷载等级为公路-Ⅰ级时k=1.15。

根据现场实际情况，提出2种主拱圈加固方案：1) 主拱圈拱背填平。拆除桥面铺装、主拱圈拱顶填料及侧墙；对主拱圈拱背截面进行钻孔植筋，浇筑C35钢筋砼，浇筑后截面高1.3 m(与原拱圈中间肋齐平)；重砌拱顶侧墙，填筑轻质陶粒C20砼，施作桥面铺装[见图2(a)]。2) 主拱圈拱底套拱。将拱圈底面凿毛，通过钻孔植筋的方式在主拱圈底面布设钢筋网，浇筑15 cm厚C35钢筋砼[见图2(b)]。

图2 拱顶加固设计示意图(单位：cm)

采用这2种加固方案，拱脚截面和拱顶截面承载能力及偏心距在2种荷载组合作用下均能满足要求。限于篇幅，仅给出主拱圈验算应力值(见表1和图3)。

图3 2种加固方案下截面上下缘应力

表1 加固前后主拱圈应力值 MPa

2.3 加固方案对比分析

2.3.1 受力性能

根据模型计算结果，采用主拱圈拱背填平和主拱圈拱底套拱2种加固方案对该桥进行加固后，其承载能力都满足现有交通荷载要求，对桥梁结构受力都有一定改善。由表1可知：加固后，拱圈上下缘应力均有所减少，特别是在拱脚上缘位置。采用拱背填平方案时，拱脚上缘位置最大应力为-0.75 MPa，和原桥相比降低4.76 MPa，约占原结构应力的86.4%；采用拱底套拱方案时，拱脚上缘位置最大应力为-2.43 MPa，和原桥相比降低3.08 MPa，约占原结构应力的55.9%。另外，拱背填平方案将原桥填料更换为轻质陶粒C20砼，拱上建筑恒载大幅减小，结构承受的自重也相应减小。

2.3.2 施工条件

采用主拱圈拱底套拱加固方案，除需在拱座设置钢围堰外，还需搭设满堂支架，施工较麻烦；主拱圈底面需配置钢筋网，砼浇筑不仅施工困难，而且砼密实度无法保证；下缘砼浇筑无法确保能和原主拱圈完全联结为一个整体共同参与受力。主拱圈拱背填平方案施工较简单，仅需在拱座处设置钢围堰，而且加固部分能与原结构较好地联结为一个整体。

2.3.3 经济适用性

主拱圈拱背填平方案不需搭设满堂支架，和拱底套拱方案相比工程造价更低。但拱上侧墙重砌及轻质陶粒填料更换时需封闭桥梁，对当地交通有一定影响。

2.3.4 加固方案确定

从受力性能、施工条件及经济适用性方面综合分析，采用主拱圈拱背填平方案对桥梁进行加固，结构受力性能改善更明显，工程造价更低，故选用该方案进行加固。

3 主拱圈加固效果评估

该桥加固完成后进行静载试验，对加固效果能否达到设计要求进行评估。在各试验荷载作用下，各截面挠度、应变实测值与理论值见图4～7。

图4 荷载组合Ⅰ作用下挠度实测值与理论值对比

图5 荷载组合Ⅱ作用下挠度实测值与理论值对比

图6 荷载组合Ⅰ作用下应变实测值与理论值对比

由图4～7可知：采用主拱圈拱背填平方案加固后，在各试验荷载作用下，桥梁各截面挠度、应变实测值均小于理论值，卸载后，相对残余变形(应变)、挠度(应变)校验系数均满足规范要求。表明加固后桥梁承载能力和荷载等级满足设计要求。

4 结语

通过对首座轻型石砌肋板拱桥进行加固计算分析，确定最佳加固方案为主拱圈拱背填平。静载试验结果表明，加固后桥梁变形、应变都处于弹性范围，与加固前相比，桥梁总体刚度和强度有较大提升，加固效果良好，加固方案对轻型石砌肋板拱桥的加固改造具有借鉴意义。

图7 荷载组合Ⅱ作用下应变实测值与理论值对比