型钢套拱在圬工拱桥加固中的应用

■游德泉

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

我国修筑圬工拱桥历史悠久，20 世纪70-80 年代，因具有就地取材方便、造价低、无需钢筋水泥材料、无需大型施工机械、耐久性强等特点，在福建省石材资源丰富地区圬工拱桥得到广泛应用。 但随着交通行业大规模的路网建设与物流行业的发展，通行车辆的荷载等级不断提升，圬工拱桥也逐渐暴露出病害情况以及承载能力不足的问题， 亟待加固。特别是超重车辆通行可能会对桥梁造成不能恢复的损伤，致使结构在正常使用时的工作状态发生变化，危害桥梁的耐久性及安全性。 超重车辆是指车辆装载货物（设备）总重量或轴重在桥梁的作用超过设计活载的车辆。 超重车辆的总重、轴重、轮重、轴距、轮距等技术参数与设计规范中的车辆荷载参数有很大的不同，超重车辆总重大、轴载大，其会对桥梁产生疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至造成结构破坏事故。 因此在超重车辆通行前，需要进行桥梁承载能力评定，对承载能力不满足的桥梁需进行加固处理后再进行通行安全性评估。 常见的圬工拱桥加固方法主要有：增大主拱截面、调整拱上建筑恒载以及增强横向整体性等方法[1]。其中增大主拱截面的加固方法根据施工工艺不同又分为：现浇混凝土法、粘贴钢板法、挂网喷射高强混凝土法和型钢套拱法等。 而型钢套拱方法在隧道工程维修加固中运用较多[2]，在桥梁工程上可参考经验较少。 本文在前人研究的基础上，采用型钢套拱方法对圬工拱桥进行加固， 以提升圬工拱桥的承载能力。

1 工程简介

闽粤联网工程属福建省重点项目，项目工程运输换流变压器车货总重达506 t，最大轴荷载26.88 t，属于超大超重运输。运输线路全程约为63 km，途经云霄境内诸多国省道干线以及县道老旧桥梁与涵洞。后坑埔桥位于国道357 上（图1），属国道修建之初的先行工程，无设计及相关养护资料。 现场调查结果表明：后坑埔桥为单孔圬工砌体结构，道路宽8.10 m， 横向布置为0.55 m 左侧防撞护栏＋7.00 m机动车道＋0.55 m 右侧防撞护栏。 圬工砌体结构净跨径9.97 m，主拱圈横向宽8.00 m，为单层岩石块砌筑，拱上侧墙为岩石块砌筑；下部结构桥台为扩大基础。 对于此类“三无”桥梁，需要对该桥开展基于超重车辆的承载能力评定。

图1 后坑埔桥通行前状况

2 圬工拱桥的承载能力检测评定

根据规范[3]，超重车辆通行需要检算桥跨结构在承载能力极限状态下相应的作用效应组合和构件相应的承载力等。 承载能力极限状态作用的效应组合中超重车辆通行属于偶然短暂荷载，检算的效应组合为桥梁的承载能力极限状态偶然组合。 作用的效应设计值按照以下公式计算：

各参数见JTG D60-2015 《公路桥涵设计通用规范》， 荷载组合依据实际调查情况恒载系数采用1.0，特载系数采用1.1，温度系数采用（1.1×0.75），不计车辆的制动力及汽车冲击力。 本项目圬工桥梁承载能力极限状态应根据桥梁检测结果依据下式进行计算：

γ0S≤R（fd，ξcad）Z1（2）

各参数意义见规范[3]，其中：一级桥梁结构的重要性系数为γ0=1.1，二级桥梁结构的重要性系数为γ0=1.0。

2.1 结构缺损状况检查及技术状况等级评定

该检测评定工作开展主要依据规范[4]，评定采取分层综合评定与5 类桥梁单项控制指标相结合的方法，按照“桥涵构件→部件→分部结构→总体”的顺序进行综合评定。 对于圬工拱桥主要是关注主拱圈以及桥台基础的技术状况等级。 圬工拱桥主拱圈构件，虽无现场检查缺陷，但由于检测前一段时间并无明显降水，对于主拱圈是否存在渗水等缺损情况无法准确判断。 即便无现场检查缺陷结果，也不能按照1 类结构评定。 因此该桥整体技术状况等级评定为2 类。

2.2 结构材质状况与状态参数检测

为配合后期的检算需求，针对性地开展检测项目。 圬工拱桥检测内容包括：尺寸复核（含上部结构、下部结构、扩大基础）、拱轴线及桥面线形检测、砂浆强度推定、结构基频。 通过现场实测数据，还原了结构尺寸（图2），实测矢跨比为0.20，砂浆抗压强度推定值为14.38 MPa，为后期检算提供基础数据。

图2 桥梁整体结构示意图

2.3 基于超重车辆荷载的结构检算

综合现场检测的结果，对桥涵结构开展基于超重车辆荷载的结构检算。 对于圬工拱结构，主要检算主拱圈拱顶、四分点及拱脚截面的强度。 本项目中采用三轴装载车（图3），轴重为26.88 t，轴重力过大，对主拱圈结构，特别是拱顶位置产生较大的弯矩，结构处于大偏心的受力状态，圬工结构的控制截面强度均不满足通行的承载能力要求检算结果。

图3 运输车辆装载结构示意图

3 型钢套拱加固及安全性评价

3.1 加固方案比较分析

目前所采用的方法为增大截面法，为满足运输方运输工期近、运输次数多、轴重大等要求，基于加固效果、工期、耐久性、对原结构的影响、对交通影响及造价等多方面比较（表1），本工程最终选定型钢套拱的加固方案。

表1 后坑埔桥加固方案比选

3.2 型钢套拱加固方案及实施要点

本桥加固总体方案是在拱圈底缘锚固型钢拱架，与原拱圈协同受力，共同承受超重特载车辆作用。 型钢拱架底座放置于新增砼基础上，构造如图4～5 所示。 主拱圈采用HW350×350×12×19 型钢套拱加固，型钢与原主拱圈底缘采用锚栓固定，种植深度130 mm，与原拱圈协同受力，共同承受超重特载车辆作用。 型钢套拱拱脚与新增砼基础顶面预埋钢板焊接。 加固后桥梁现状如图6 所示。 施工顺序简述如下：（1）首先进行型钢立柱（2HN500×200×10×16）混凝土基础施工，预埋型钢立柱基础钢板。（2）临时中断桥面交通，在合龙口用液压千斤顶同步对顶型钢拱架，达到设计对顶力后，稳定1 h，再在有型钢拱架与拱圈底缘有空隙位置逐个拧紧锚栓，用黏胶剂灌缝，待黏胶剂到达固化时间后，完成套拱安装，开放交通。

图4 加固施工设计立面图

图5 加固施工设计横断面图

图6 加固后桥梁现状图

施工过程中应注意以下几点：（1）施工单位进场后，须先对原桥相关构造尺寸进行复测，确保尺寸、标高无误后方可进行下料加工。 （2）必须确保套拱拱架与原拱圈间的密贴，现场施工时必须确保所有螺栓拧紧到位、型钢拱架与拱圈底缘间间隙注胶填满。 （3）本桥加固施工完后，应按超重特载车辆荷载等级进行荷载试验，荷载评定通过后方可通过超重车辆。

3.3 有限元检算评价

运用Midas Civil 有限元软件建立加固后桥梁模型，并与加固前的模型进行对比。 模型的建立基于如下假设：加固的型钢套拱与原圬工拱圈刚性连接，采用新增型钢套拱与原圬工拱桥主体结构的节点、单元等位移协同受力的方式， 新增节点与原节点采用弹性连接方式，模型如图7 所示，内力图如图8 所示。 主拱圈截面强度检算结果见表2。

图7 型钢套拱加固后有限元模型图

图8 加固后桥梁结构内力弯矩图

表2 主拱圈截面强度检算结果

3.4 实际荷载法评价

对桥梁现场开展静载试验，参与试验的车辆以载重45 t 三轴载重车辆为主（图9），横向轴重最大可以达到31.5 t， 以保证试验荷载效率能够达到0.95 以上，满足规范[5]要求。 荷载试验主要测试在试验车辆作用下结构挠度、应变、裂缝等参数变化情况。 对于圬工连拱结构，需要测试全桥布载状态下主拱圈变形以及桥台水平位移。 试验结果表明结构试验校验系数均小于1.0，残余变形小于20%，根据规范[5]的评价指标，加固后的桥涵能够满足大件运输通行要求。

图9 实际荷载法现场加载车辆

3.5 通行前试运行的监测

大件设备正式运输通行前，采用1.1 倍的货物重量进行模拟运输。运输过程中对主拱跨中及1/4 跨、3/4 跨位置处竖向及横向变形进行实时跟踪监测。

4 结语

（1）圬工拱桥建造工艺历经上千年的历史，在社会主义现代化建设进程中，在超重车辆的通行实际中仍旧发挥着承载作用；（2）早期修建的圬工拱桥在较大的车辆荷载及轴载作用下，主拱圈截面强度无法满足承载能力要求；（3）在短期内实现加固多次通行超重车辆的圬工桥梁项目上，较现浇混凝土、挂网喷射高强混凝土加固方案，型钢套拱加固方案具有时间上、经济上、效果上的较大优势，其可在结构恒载增加较少的情况下取得较好的加固效果；（4）通过有限元模型检算以及实际荷载法，综合验证型钢套拱加固技术的可靠性，加固后圬工拱桥结构承载能力得到提升，值得推广应用；（5）对型钢套拱加固后的桥梁结构养护工作提出新的要求，在钢结构防腐、防锈以及黏胶耐久性方面值得商讨与改进。 综上所述，采用型钢套拱方案加固后的圬工拱桥承载能力有了很大的提高，截面抗压强度性能有很大的改观，表明该方案合理有效[6]，可为类似加固工程提供借鉴和参考。