苏家坡石拱桥病害原因分析及套拱加固

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1、64世界桥梁2011年第2期苏家坡石拱桥病害原因分析及套拱加固方德铭。夏樟华。，左小刚(1．福建省公路管理局，福建福州350001；2．福州大学土木工程学院，福建福州350108)摘要：苏家坡石拱桥跨径30m，检查发现该桥存在多处病害。采用有限元法分析加固前石拱桥受力性能，确定病害主要原因为u形桥台背面回填不密实及车辆超载，提出采用钢筋混凝土套拱的方法进行加固，将该桥荷载等级提高到公路～I级。运用有限元法分析套拱厚度、混凝土强度、套拱和主拱圈的粘结强度对套拱加固效果的影响，以确定具体套拱加固方案。加固后对实桥进行静载测试，比较加固前、后的受力性能。结果表明，

2、拱下套拱加固能够有效提高桥梁整体刚度和使用性能，具有较好的加固效果；在公路一I级荷载作用下较经济合理的加固厚度为4O～50cm，混凝土强度等级为C30～C40。关键词：石拱桥；钢筋混凝土套拱；力学性能；有限元法；静载试验；桥梁加固中图分类号：U448．22；U445．72文献标志码：A文章编号：1671—7767(20l1)02—0064—051前言0．84MPar9]。桥台为U形浆砌片石重力式桥台。随着交通量和交通荷载的增大，越来越多的石该桥于l996年12月竣工。拱桥出现了病害L】]，以福建省为例，共有1936座石2005年，在桥梁常规性检查中发现该桥存

3、在的拱桥[2]，占专养公路桥梁的52，而这些桥梁大都主要病害有：①拱圈纵向裂缝2条，1条位于主拱圈使用年限较长，承载力普遍偏低，病害严重，主要表边缘，长约15m，缝宽5～10mm；l条在主拱圈中现为主拱圈纵向开裂、基础下沉等。目前，用于石拱间，长约20m，缝宽1～3mm，1号、4号腹拱开裂。桥加固的方法主要包括：原拱圈上增设拱圈加固法②1号桥台从起拱线位置往下裂至基础，缝宽1～3(拱上套拱)[33、原拱圈下增设钢筋混凝土拱圈加闫mm。③下游侧墙外凸，砂浆脱落，1号桥台左侧翼法(拱下套拱)『4]、调整拱上恒载]、粘贴钢板和增大墙从桥面板底往下裂，裂缝长13m。

4、④人行道多处截面的复合加固法[6j、FRP材料加固法等。参考开裂，桥面破损严重。文献[8]还介绍了灌浆、增大拱圈截面、改变拱上填料和结构体系的综合加固方法。其中拱下套拱方法因为对交通影响小，加固效果好而被广泛地采用。但其存在的主要问题是套拱厚度和套拱混凝土强度凭经验而定，缺乏科学的分析和论证。本文以国道19桥台2号桥台319线苏家坡石拱桥为背景，采用有限元法分析该单位：cⅢ桥套拱加固前、后的力学性能，确定合理的套拱厚度图1苏家坡石拱桥示意和混凝土强度，为石拱桥的套拱加固提供科学依据。3加固前受力性能及病害原因分析2工程概况3．1整体受力性能分析国道319线苏

5、家坡石拱桥位于龙岩市上杭县境3．1．1有限元模型内，为单孑L30m空腹式石拱桥(见图1)，全长61m，采用ANSYS建立该桥有限元模型，主拱圈、拱设计荷载为汽一20，挂～100。该桥桥面净宽12m，墙、填料、桥面板采用Solid45块体单元模拟，砌缝总宽14．1rn，主拱圈厚80cm，矢跨比1／3，净空高和各部分之间的相互作用采用Combinl4弹簧单元19．2m。主拱圈采用1O号砂浆砌6O号块石，其极模拟。弹簧单元有3个方向，主方向模拟材料之间限抗压强度一11．0MPa，极限抗拉强度R}一的拉压作用，另外2个方向模拟拱圈块石之间的摩收稿日期：2010—09

6、—15基金项目：福建省交通科技发展巧!tj(2O05l2)；懈建省科技厅项日(rM2007～28)作者简介：方德铭(1965)．男，高级工程师．1986年毕业于福州大学道路与桥梁工程专业，工学学士，2005年毕业于福州大学建筑与土木工程专业，工程硕士(Email：fjfdm@126．com)。苏家坡石拱桥病害原因分析及套拱加固方德铭，夏樟华，左小刚65擦作用。在该模型中，根据对桥梁整体受力影响，通过降低裂缝的弹簧刚度来模拟主拱圈的2条主要纵向裂缝。该桥有限元模型共包括45000个节点和100156个单元。星R翻基于环境振动测试的动力特性对有限元模型进行修正，

7、得到的有限元模型主要材料参数为：主拱圈块石弹性模量为5．4×10MPa；腹拱圈块石弹性模量为5．0×10MPa；腹拱墩、拱墙块石、填料和桥面板弹性模量为2．0×10MPa；填料密度为2．1图2桥台竖向位移对应力的影响×10。kg／m。；混凝土桥面板密度为2．5×1O。kg／m。；其余材料密度为2．4×10。kg／m。。在有限元模型上进行加载计算，具体工况为：①莹自重；②跨中最大正弯矩；③拱脚最大负弯矩。倒3．1．2结果分析各荷载作用下应力最不利组合见表1，其中应力以受压为正，受拉为负(下同)。结合桥梁整体受力分析，可知：①各截面拉应力值未超出极限抗拉强度；②

8、沿横桥向，主拱圈拱腹出现拉应力，且集中于图3桥台水平