浅析石拱桥承载力评估方法及加固措施

浅析石拱桥承载力评估方法及加固措施

摘要:本文结合石拱桥的相关概念和理论,详细阐述了石拱桥的承载能力评估和加固方法。

关键词:石拱桥承载力评估加固

0前言

随着我国城市化水平不断提高,城市的对外扩张和郊区城市化进程已成为必然趋势。作为城市与区域城镇的联系枢纽——市政道路和桥梁必然加速建设和发展。石拱桥作为中国传统桥型, 有着悠久的历史。由于受地形条件、建筑材料、施工环境、结构理论与分析手段、施工与监控技术的限制, 其在现代桥梁结构中的应用与发展受到制约。随着交通路网的改造和运输量的不断增长,加之桥梁的老化,这些旧石拱桥大多出现了承载能力不足及病害。因此,对既有石拱桥进行评估了解其最大承载力, 并采取相应的维修和加固措施, 具有十分重要的现实意义。

1 石拱桥承载能力评估

影响石拱桥的承载能力的因素是很多的, 主要有石桥原来的荷载设计等级、施工方法与质量以及桥梁结构完好状况与结构材料性能好坏等方面。石拱桥原设计荷载及施工资料, 一般可通过查阅有关技术资料得到,若资料缺乏, 则难办到,而对于结构完好程度、材料老化程度和强度降低程度的评价, 则是一件较困难的工作。对于石拱桥承载力的判定, 国内公路部门尚无统一的方法。石拱桥承载力的评估通常采用分析计算法、实物调查比较法、荷载试验法等三种方法。

1.1 分析计算法

首先对被检测的桥梁结构进行检查收集资料、现状检查、材质及地基的检验等,然后将检查所得的有关资料和检验测量结果, 运用桥梁结构计算理论及有关的经验系数进行分析计算, 从而评定出石拱桥的安全承载力。这种从调查入手, 利用计算理论及经验系数, 分析计算出桥梁承载力的方法称为分析计算法。分析计算法一般又分为经验系数折算和理论计算两种方法。

1.2 实物调查比较法

实物调查比较法, 亦即由实际交通情况来检定桥梁承载力的动态求法。具体做法:是对被检测的石拱桥进行相当长期的观测, 根据桥梁通过的车辆荷载, 并

测定车辆通过时桥梁各主要部位的挠度跨中或产生最大挠度处应变、应力、裂缝开展情况等数据。然后, 对这些数据(车辆种类、载重及其对应的挠度、应力、应变等)进行统计分析, 从而得出桥梁可以承受的荷载等级。

1.3 荷载试验法

桥梁试验应逐级加载, 以等于或稍大于实际将要通过桥梁的荷载值作为试验荷载, 实测桥梁各主要部位在荷载作用下的反应, 如挠度、应力、应变、裂缝开展等数值, 然后通过分析比较, 得出当挠度值、应力、应变值及裂缝宽度值小于规范值时所对应的荷载等级, 该荷载等级就是桥梁可通过的安全承载力。

2 石拱桥加固方法

通过上述方法确定石拱桥承载力后即可根据现场条件制定相应的加固方法, 比较有效的加固方法有以下几种。

2.1 拱下增设拱圈加固法

在桥下净空容许、或根据水文资料, 桥下泄水面积容许缩小时, 可在原有拱圈下部增设拱圈, 即紧贴原拱圈下面, 喷射钢丝网水泥拱圈或浇注钢筋混凝土新拱圈。

石拱桥由荷载等级确定的拱圈厚度, 除可参考有关设计资料外, 根据多年修建的大量实践经验, 可分两种情况分别由下列经验公式得到:

(1)中、小跨径的石拱桥, 拱圈厚度可按下式估算:

式中

d——拱圈厚度,cm

m ——系数, 一般为4.5～6,取值时随矢跨比的减少而增大;

k ——荷载系数, 对于汽-10级,k=1.0;汽-15级k=1.1;汽-20级,k=1.2;

L0 ——拱圈净跨径,cm。

(2)大跨径的石拱桥, 拱圈厚度可由下式估算。对于等截面拱:

式中:

d ——拱圈厚度,m;

m1——系数, 一般为0.016～0.020, 跨径越大, 所用系数越大

K ——荷载系数,同前;

L0 ——拱圈净跨径。

对于变截面拱拱顶厚度:

拱底厚度

式中

dd、dj ——拱圈拱顶、拱脚厚度,m;

m2 ——系数, 一般为0.13～0.17, 跨径越大, 所用系数越大;

K ——荷载系数, 同前;

L0 ——拱圈净跨径,m;

c ——与拱厚度系数n有关的系数(n值可查有关手册),其中n=0.6时,c=1.3-1.4;n=0.5时,c=1.4-1.5;n=0.4时,c=1.5。

2.2 拱上加设拱圈加固法

从拱圈上面加设一层新拱圈, 即开挖原拱顶填料层直到拱背, 洗净修补好, 凿毛, 加筑新拱圈, 不仅加固了拱圈, 而且将原有开裂的拱连在一起, 也利于桥梁排水。加固时, 加筑部分新拱圈厚度可采用上述方法拟定。原拱圈如有损坏, 应先用喷注高标号水泥砂浆等方法修理后再砌新拱圈。在考虑加固拱圈时, 应同时考虑墩台受力是否安全等因素。当多孔石拱桥需全部加固新拱圈时, 在拆除拱上填料时, 须特别注意保持两边对称、同时进行, 以确保连拱作用的均匀受力。

2.3 塞缝灌装

塞缝灌浆是把按一定比例配制的水泥(砂)浆、环氧树脂(砂)浆, 通过喷浆机按一定压力灌入结构物缝隙内, 起到填塞裂缝、避免钢筋锈蚀并提高结构整体强度的作用。裂缝在桥梁病害中较为普遍, 产生裂缝的原因很多, 也很复杂。结构物一旦出现裂缝, 其受力截面发生应力重分布, 也就意味着受力有效截面变小, 结构应力增大, 承载能力降低。塞缝灌浆是用胶结材料把结构的裂缝填满, 使力的作用、传递尽可能恢复到原状态。具体采用哪一种, 应视实际情况而定。在公路旧桥加固中, 塞缝灌浆是综合处治的方法之一, 用得比较普遍, 通过试载及使用观察, 效果较好。

2.4 钢杆件拉结法

为防止拱脚位移, 提高拱的承载能力, 也可在拱圈跟部凿开混凝土, 外露钢筋后焊接钢拉杆铆座(或在清理混凝土表层后以环氧砂浆粘结铆座)装置拉杆螺栓(带有花篮螺丝伸缩装置的拉杆)铆固拱脚。采用钢拉杆的加固措施,使桥下净空大幅度降低, 将会影响到通航, 故仅用于一般不通航的河道上。

2.5 压浆加固法

采用1:2的水泥砂浆将裂缝表面封住,每隔20厘米留出压浆孔, 待封浆砂浆结硬后,用水灰比为0.8:1的水泥砂浆压灌裂缝。压浆压力为0.4～0.6MPa, 压浆时, 压浆孔的临孔为排气孔, 待到排气孔冒浆后, 封堵着两个孔, 进行第三号孔压浆, 第四号孔排气, 以此类推, 完成全拱压浆。

参考文献

[1] 周建廷,郝义,刘国金等.《石拱桥合理加固工序及内力分析》《公路》2005年第4期.

[2] 容友鹏.《石拱桥加固设计分析》[J]《林业建设》2004年第5期.

[3] 许曙光.《石拱桥加固设计及施工简介》《公路》2002年第1期.

[4] 江俊忠.《石拱桥加宽与提高承载力的设计》《广东公路交通》1998年第1期.