■賴(lài)道斌

（1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福州 350025；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350025）

石拱橋是一種歷史悠久的橋型，在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)，許多缺乏養(yǎng)護(hù)的老舊石拱橋已無(wú)法承載日漸增長(zhǎng)的交通荷載量，加固改造迫在眉睫[1]。 石拱橋的加固方法主要有增大截面、粘貼鋼板、調(diào)整結(jié)構(gòu)體系、增加體外預(yù)應(yīng)力、鋼套箍加固等，內(nèi)套拱加固作為最常見(jiàn)的加固方法之一，屬于增大截面的一種，通常是在原有石拱圈下方增加鋼筋混凝土拱圈或拱肋，新舊結(jié)構(gòu)相互聯(lián)結(jié)形成組合結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)活載，提高橋梁承載能力[2]。 經(jīng)套拱后結(jié)構(gòu)是否能達(dá)到預(yù)期的加固效果，關(guān)系到橋梁后續(xù)能否安全有效運(yùn)營(yíng)，具有重要意義。 因此，本文通過(guò)對(duì)某套拱加固的石拱橋進(jìn)行病害檢查及靜動(dòng)載試驗(yàn)，分析其加固效果，供同類(lèi)工程參考。

1 工程概況

某石拱橋建于1989 年，橋梁全長(zhǎng)305 m，主跨為4×60 m 的石拱橋，橋面橫向布置為1.55 m 人行道+11.0 m 機(jī)動(dòng)車(chē)道+1.55 m 人行道。上部結(jié)構(gòu)為凈跨徑60 m 的漿砌塊石懸鏈線(xiàn)主拱圈， 拱圈厚度1.2 m，矢跨比1/6，每跨拱上設(shè)6 個(gè)砌石腹拱，下部結(jié)構(gòu)采用漿砌塊石墩臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋面系為22 cm厚的C30 水泥混凝土鋪裝， 橋跨布置如圖1 所示。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車(chē)-20 級(jí)、掛車(chē)-100。

圖1 橋梁立面布置圖

經(jīng)過(guò)20 多年的運(yùn)營(yíng)之后， 該橋主拱圈出現(xiàn)局部滲水泛白、砌石開(kāi)裂，腹拱圈出現(xiàn)縱橋向、橫橋向貫通開(kāi)裂，墩身存在豎向貫通開(kāi)裂，其中3# 墩開(kāi)裂尤其嚴(yán)重， 且墩身底部砌縫砂漿被流水掏空脫落。養(yǎng)護(hù)單位于2015 年對(duì)該橋病害較嚴(yán)重的第3、4 跨進(jìn)行加固，主要加固內(nèi)容為：在原石拱圈內(nèi)側(cè)增設(shè)5道鋼筋混凝土拱肋，每道拱肋寬1.0 m、高1.2 m；對(duì)2# 墩、3# 墩、4# 墩采用套箍外包混凝土進(jìn)行加固；對(duì)腹拱圈及拱上側(cè)墻進(jìn)行砌縫修復(fù)。

2 加固運(yùn)營(yíng)后橋梁的病害調(diào)查結(jié)果

2.1 未加固橋跨

由于該橋僅對(duì)病害較嚴(yán)重的兩跨進(jìn)行加固，再次投入運(yùn)營(yíng)5 年后，未加固的橋跨病害出現(xiàn)了一定程度的發(fā)展。 第1 跨、第2 跨主拱圈與拱上側(cè)墻間砌縫局部開(kāi)裂脫落，主拱圈拱腹出現(xiàn)了更大面積的滲水泛白，拱腹縱向裂縫增多，其中第1 跨新增7 條，第2 跨新增4 條，縫長(zhǎng)約0.7～4.2 m，最大縫寬測(cè)讀值為0.22 mm；第2 跨拱腳出現(xiàn)砌石開(kāi)裂、砌縫砂漿缺失；1# 墩墩身底部砌縫砂漿被流水掏空脫落。

2.2 加固橋跨

第3 跨、第4 跨套拱加固后，經(jīng)5 年運(yùn)營(yíng)，加固套拱拱肋側(cè)面出現(xiàn)較多豎向裂縫， 縫寬0.10～1.10 mm，拱肋底面在1/4L～3/4L 間出現(xiàn)較多橫向裂縫，部分與側(cè)面裂縫貫通，縫寬0.10～0.20 mm。 2#墩、3# 墩加固混凝土出現(xiàn)共31 條豎向裂縫， 縫長(zhǎng)2.5～3.3 m，縫寬0.30～1.30 mm。

3 橋梁靜力荷載試驗(yàn)

3.1 有限元模型

采用Midas/Civil 建立全橋有限元模型，按連拱進(jìn)行計(jì)算，并考慮拱上建筑的聯(lián)合作用。 主拱圈、腹拱圈、拱上立墻、橋墩等均采用梁?jiǎn)卧M，其中，加固后的拱圈取原石拱圈為標(biāo)準(zhǔn)層，將加固混凝土套拱按剛度等效原則進(jìn)行換算，形成組合截面參與計(jì)算[3]。 全橋有限元模型如圖2 所示。

圖2 全橋有限元模型

3.2 荷載效率

靜載試驗(yàn)以原設(shè)計(jì)荷載汽車(chē)-20 級(jí)、掛車(chē)-100為控制荷載， 根據(jù)主拱圈控制截面內(nèi)力等效原則，換算成三軸加載重車(chē)進(jìn)行加載， 使加載效率滿(mǎn)足JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》[4]的規(guī)定。 試驗(yàn)選取第2 跨未加固拱圈及第3 跨加固拱圈為試驗(yàn)對(duì)象，以便對(duì)加固效果進(jìn)行對(duì)比分析，加載工況及荷載效率如表1 所示。

表1 各工況試驗(yàn)內(nèi)容及荷載效率

3.3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

在試驗(yàn)橋跨跨中截面及1/4L 截面橋面布置撓度測(cè)點(diǎn)， 每測(cè)試截面沿橫橋向布置3 個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)；在試驗(yàn)跨跨中截面、1/4L 截面及拱腳截面主拱圈底面布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，每測(cè)試截面沿橫橋向布置2 個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。 本試驗(yàn)不考慮橫向偏載，故同一截面各個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果相近，取其平均值進(jìn)行分析。 撓度測(cè)試結(jié)果如表2 所示，應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果如表3 所示。

表2 撓度測(cè)試結(jié)果

表3 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

在第3 跨加固拱圈跨中側(cè)面豎向裂縫處布置跨縫應(yīng)變計(jì)（圖3），測(cè)試荷載作用下裂縫的工作狀態(tài)。 在工況四（即第3 跨跨中截面正彎矩）滿(mǎn)載作用下，應(yīng)變觀測(cè)結(jié)果如表4 所示。

圖3 裂縫測(cè)點(diǎn)布置圖

表4 裂縫測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

3.4 結(jié)果分析

由試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知：（1）在各工況荷載作用下，控制截面的撓度與應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.36～0.94，均小于1.0，相對(duì)殘余值在0%～8.24%，均小于20%，表明現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)理論相比仍具有一定的安全儲(chǔ)備，且橋跨結(jié)構(gòu)卸載后恢復(fù)良好， 彈性工作狀態(tài)較好。（2）經(jīng)套拱加固后，跨中及1/4L 截面撓度實(shí)測(cè)值下降幅度分別為29.4%、41.7%，跨中、1/4L 及拱腳截面實(shí)測(cè)應(yīng)變值下降幅度分別為61.5%、62.5%、56.1%，可見(jiàn)套拱加固后結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)變都有大幅的下降，結(jié)構(gòu)剛度得到了較大的提高。 （3）試驗(yàn)荷載作用下，加固套拱跨中側(cè)面豎向裂縫出現(xiàn)一定的縫寬發(fā)展，卸載后縫寬恢復(fù)情況較好，但縫寬的發(fā)展呈“上大下小” 的形態(tài)， 未見(jiàn)常規(guī)受力裂縫的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。（4）未加固橋跨的撓度與應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.36～0.73，套拱加固橋跨的校驗(yàn)系數(shù)在0.86～0.94，可見(jiàn)加固后雖然撓度和應(yīng)力實(shí)測(cè)值有所下降，但是加固后的校驗(yàn)系數(shù)卻偏高，可能原因在于：一是套拱拱肋底面存在橫向貫通裂縫，導(dǎo)致其剛度降低；二是加固后新舊結(jié)構(gòu)由于收縮特性不同，導(dǎo)致結(jié)合面的整體性不甚理想，加固后的協(xié)同工作性能較整體截面有一定差距。

4 橋梁自振特性試驗(yàn)

根據(jù)原設(shè)計(jì)及加固圖紙建立有限元模型，分析橋跨結(jié)構(gòu)在加固前與加固后的理論基頻、 理論振型。 采用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法測(cè)定全橋自振特性，在每跨跨中及立墻上方各布置1 個(gè)拾振傳感器，采集風(fēng)荷載等隨機(jī)振動(dòng)下橋跨的微幅響應(yīng)， 通過(guò)頻譜分析，獲取橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)基頻及振型[5]。 橋梁加固前理論振型如圖4 所示，第3 跨、第4 跨加固后，全橋的理論與實(shí)測(cè)振型如圖5、圖6 所示，橋梁基頻匯總?cè)绫? 所示。

圖4 橋梁加固前理論振型圖

圖5 橋梁第3、4 跨加固后理論振型圖

圖6 橋梁第3、4 跨加固后實(shí)測(cè)振型圖

表5 橋梁基頻理論值與實(shí)測(cè)值 (單位：Hz)

結(jié)果表明，加固后橋梁的實(shí)測(cè)振型與理論振型較為吻合， 加固橋跨的振動(dòng)幅值有大幅的降低，套拱加固使結(jié)構(gòu)剛度有了較大的改善；加固后，橋梁基頻較未加固橋跨有較大提高，且實(shí)測(cè)值大于理論值，即橋跨現(xiàn)狀整體剛度大于理論值。

5 結(jié)語(yǔ)

該工程為4 跨石拱橋，對(duì)其中2 跨進(jìn)行套拱加固，對(duì)比加固橋跨與非加固橋跨的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，可見(jiàn)加固橋跨控制截面的撓度、 應(yīng)變均有大幅降低，結(jié)構(gòu)剛度增大，加固效果良好。 后續(xù)使用中可考慮以下建議：（1）未加固主拱圈病害有所發(fā)展，拱腳局部存在砌縫砂漿缺失、砌石劈裂，有壓碎現(xiàn)象，可對(duì)第1 跨、 第2 跨主拱圈采用增大截面的方式進(jìn)行加固。（2）第3 跨、第4 跨套拱拱肋出現(xiàn)裂縫，形成原因可能為裂縫區(qū)域未采用收縮混凝土，落架前降溫產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫，應(yīng)對(duì)裂縫進(jìn)行封閉處理并加強(qiáng)定期觀測(cè)。