小跨度石拱桥加宽、加固设计探讨

小跨度石拱桥加宽、加固设计探讨

发表时间：2020-03-26T04:59:37.097Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年23期作者：袁天伟[导读] 为提高原有石拱桥的承载能力，在加固拱桥的同时进行拓宽改造，以适应现有道路技术标准要求。

四川蜀运通途工程勘察设计有限公司四川资阳 641300

摘要：为提高原有石拱桥的承载能力，在加固拱桥的同时进行拓宽改造，以适应现有道路技术标准要求。笔者提出利用在原有完好的侧墙上设置钢筋砼盖梁，然后在盖梁上架设预制梁板，确保跨中梁板底面比清除后的拱顶面略高，以此来保证全部静载及部分活载由梁板独自承担受力，剩余部分活载由梁板与原拱圈结构共同承担受力，从而有效提高加固后桥梁的承载能力，最大程度地利用了新建梁板和原有拱桥的结构。

关键词：小跨度石拱桥；加宽；加固；共同承担受力

1、概述

目前，无论是国省干线公路、县乡道公路，或者村道公路，由于社会生产力、建筑原材料、经济等原因，在20世纪90年以前，我国修建了大量的石拱桥，对当时交通运输及社会经济发展起到了至关重要的推动作用。随着时代的发展，交通工具的大幅度提载，大量的石拱桥由于种种原因拱圈出现纵向甚至横向裂缝，前墙出现竖向裂缝，侧墙出现竖向裂缝或者外倾等，亟待进行加固整治。

通过长期的工程实践及设计摸索，小跨度石拱桥加固主要有以下两种方案：1）拱腹增设钢筋砼拱圈，增大拱圈受力截面，减小各控制截面应力值，从而提高石拱桥承载能力；2）拱背增设钢筋砼拱圈，同时换填轻质砼填料，在减小恒载的同时加强拱圈截面，达到提高石拱桥承载能力的目的。以上两种方案是目前针对小跨度石拱桥比较成熟可靠的加固措施，但对于桥面同时需要拓宽的情况则存在一定的局限，故笔者提出在原拱上加钢筋砼简支梁，既解决了桥梁的加固，同时又兼顾了桥梁拓宽的任务。

2、工程实例

2.1原桥概况

金紫桥位于资中县境内国道321线K55+507处，原桥为3-6米石拱桥，全长为43米，拱圈厚度为0.5米，矢跨比为1/2，拱上填料厚度1.2米，原桥拱圈宽度为7.5米，桥面总宽度为8.0米，净宽度为7米，两侧各0.5米护栏。由于原桥修建年代久远，缺乏相关设计资料，设计荷载估计为汽车-15级，挂车-80级，已经无法满足现有荷载标准，石拱圈已经出现多处明显的纵向裂缝，缝宽在2～5mm，严重影响桥梁通行能力及结构安全，亟需加固处理。

2.2加固改造方案

2.2.1加固方案选择

原桥位于成渝高速银山站出口附近，周边民居及小型工厂、企业较多，人流量较大，故本次加固改造的同时需在桥梁两侧各增设1米人行道。针对本项目实际情况，笔者提出如下方案进行比选：

比较方案一：采用拱背增设30cm钢筋砼套拱加固，此方案由于需将原桥拱圈以上侧墙及填料清除，对原桥结构的扰动较大，且原桥侧墙及填料需恢复，桥面需用30cm厚现浇钢筋砼悬臂板进行拓宽，工程造价相对较高，工期较长，交通管制压力较大。

方案比选二：拱腹套拱加固，即在原有石拱圈下增设30cm钢筋砼套拱，此方案对原桥扰动较小，加固效果较好，但拱下浇筑砼施工质量控制相对较难，原桥泄洪能力将有所降低，同时桥面仍需用30cm厚现浇钢筋砼悬臂板进行拓宽，工程造价相对较高。

实施方案：鉴于上述因素，同时考虑原桥桥台及侧墙结构完好，笔者提出清除一部分原侧墙及桥面填料，在保证现有路线设计标高的前提下采用2-8米+1-7.5米+2-8米钢筋砼预制简支梁桥，单块梁板高0.4米，宽0.99米，改造后桥面总宽9.5米，即0.25米栏杆+1米人行道+7米车行道+1米人行道+0.25米栏杆。预制梁板按照公路-I级配筋，跨中预拱度10mm，其余部分按照抛物线渐变。梁板搁置在新增盖梁上，跨中盖梁宽度1.5米，端部盖梁宽度1.1米，高度均为1米，两侧端部梁板底面比清除后的拱顶面高4mm（原拱桥清除后顶面用10cmC20素砼封闭调平）。本方案施工工期相对较短，对原桥扰动较小，同时能有效利用原拱桥结构，工程投资相对最小。

2.2.2附属设施

石拱桥由于填料强度、侧墙变形等出现纵向裂缝的现象较为普遍，虽然其承载能力有所降低，但仍保留了大部分的承载能力，故本次加固仅对原石拱圈裂缝进行环氧树脂灌缝封闭处理。由于原拱桥新增设了桥面板，大部分荷载由梁板承担，故原拱桥能满足剩余共同承担的荷载，原拱圈未进行其它加固处理。桥面及拱圈处理完成后恢复人行道、栏杆、伸缩缝等。

加固立面图

加载受力示意图 3.2计算数据

3.2.1梁板活载横向分布系数

横向分布系数按照mc=C*k/n 式中：n---横截面内板的块数 k---车辆荷载列数 C---修正系数，一般取C=1.15故mc=1.15*2/9=0.256 3.2.2恒载计算

1）人行道及栏杆

两侧合计每延米人行道及栏杆自重=（0.094+0.466）*26=14.6KN/m

2）铺装层

铺装层自重=0.165*7*26=30 KN/m

3）梁板

梁板自重=0.4*1*26=10.4 KN/m

3.2.3活载计算

1）人群活载

两侧合计每延米人群荷载=3.5*2=7 KN/m

2）车辆活载

按照公路-I级验算。

3.3验算结果

本项目建模采用桥梁博士，相应计算结果如下：

3.3.1梁板钢筋配置

计算模型梁板采用C40砼，高40cm，宽100cm，下缘配置12根直径25mm的主钢筋，保护层厚度3.5cm。

3.3.2挠度计算

根据桥梁博士建模，汽车荷载等级采用公路-I级，以9#单元左截面9#节点作为控制截面，挠度计算结果如下：

使用过程中梁板最大挠度为15.4mm，安装时梁板端部高于清除后拱顶面4mm，预制梁板梁板跨中预拱度为10mm。由此可知，梁板与拱桥共同受力的部分应是变形1.4mm所对应的汽车活载，占汽车活载引起变形的33.4%。鉴于荷载大小与变形大小成正比例的关系，理论上梁板与拱桥共同受力应是汽车活载的33.4%，按照3.1条的假设，梁板承担的全部活载应为：33.4%*0.2+（1-33.4%）=73.28%，拱桥承担的全部活载应为：33.4*0.8=26.72%。

3.4加固结论

根据上述的计算结果，本项目加固方案原拱桥活载降低了73.28%；拱上填料厚度降低约50cm，原拱顶填料高度120cm，根据清除的侧墙及填料质量与拱跨范围内填料及侧墙质量比值，推算出恒载降低初略值，简化用其所对应的面积比值，即 3.5/13.7=25.5%，恒载降低约25.5%。由此可得出，理论上在小跨度石拱桥上设置预制简支板梁桥对桥梁加固拓宽以及原拱桥减载上效果明显。

4、结语

金紫桥于2010年底完成加固改造，至今已经近10年，经过繁重的交通流量以及重型车辆的检验，新增梁板未出现变形，盖梁未出现沉降，原拱圈裂缝未继续开裂，说明该桥加固效果较好。此方案施工难度较小，工期较短，且充分利用了原拱桥桥台及拱圈结构，工程投资较小，对于小跨度石拱桥加宽、加固具有一定的借鉴意义。