石拱橋常見加固施工方法探究

（浦城縣交通工程公司，浦城 353400）

石拱橋常見加固施工方法探究

■張興飛

（浦城縣交通工程公司，浦城 353400）

筆者結(jié)合多年工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)石拱橋加固常見方法進(jìn)行分析探究，通過工程實(shí)例提出施工中應(yīng)注意的一些問題，供借鑒參考。

橋梁工程 石拱橋 穩(wěn)定性 加固方法

1 前言

石拱橋是砌體結(jié)構(gòu)，具有因地制宜、就地取材、造價(jià)低、橋型雄偉壯觀的特點(diǎn)，其抗壓能力強(qiáng)，但抗拉和抗彎能力差。主拱圈受力主要以受壓為主，充分利用了圬工材料抗壓性能優(yōu)良的特點(diǎn)，是我國(guó)早期橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式。隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，交通量日益增長(zhǎng)，重型交通數(shù)量增大，導(dǎo)致現(xiàn)有石拱橋出現(xiàn)了各種不同程度的病害，承載力不斷降低，不能滿足現(xiàn)有交通量需求和公路等級(jí)要求，加固改造迫在眉睫。

2 影響石拱橋穩(wěn)定性的因素

2.1 主拱圈開裂

主拱圈裂縫是石拱橋最致命的病害，主要分為橫向開裂與縱向開裂，主拱圈

開裂嚴(yán)重影響到橋梁的安全，一旦出現(xiàn)，必須立即處理。造成主拱圈開裂的主要

原因有以下幾點(diǎn)：①建橋年代久遠(yuǎn)，原設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)較低，隨著交通量的日益增長(zhǎng)，橋梁在長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)下主拱圈出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；②墩臺(tái)、基礎(chǔ)等的位移引起拱圈開裂。石拱橋多為超靜定結(jié)構(gòu)的無鉸拱。基礎(chǔ)沉陷或墩臺(tái)位移會(huì)引起主拱圈產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，導(dǎo)致主拱圈開裂；③主拱圈受力不對(duì)稱。主要發(fā)生在彎橋上。車輛在彎橋上轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生向心力，造成拱圈彎道外側(cè)開裂。

2.2 側(cè)墻開裂與外鼓

側(cè)墻開裂與外鼓是石拱橋拱上結(jié)構(gòu)最常出現(xiàn)的病害。側(cè)墻常出現(xiàn)順橋向、橫

橋向裂縫。側(cè)墻外鼓則與側(cè)墻開裂相伴產(chǎn)生。其產(chǎn)生的原因?yàn)椋孩俳煌ê奢d過大，或其沖擊作用太強(qiáng)使側(cè)墻承受的土側(cè)壓力增大；②建橋時(shí)未設(shè)置沉降縫，當(dāng)橋臺(tái)有沉降時(shí)，拱上側(cè)墻就發(fā)生不規(guī)則的裂縫；③拱上建筑中的填料不密實(shí)，或填料質(zhì)量不好，橋面破損后積水滲透至拱上填料，降低其強(qiáng)度，經(jīng)過浸泡后發(fā)生膨脹對(duì)側(cè)墻產(chǎn)生擠壓，使得側(cè)墻發(fā)生外鼓甚至開裂等。

2.3 基礎(chǔ)或墩臺(tái)的不均勻沉降、位移

基礎(chǔ)與墩臺(tái)的使用狀況是確保橋梁運(yùn)營(yíng)安全的重要因素之一。對(duì)于石拱橋而

言，基礎(chǔ)和墩臺(tái)出現(xiàn)的最常見病害是其不均勻沉降與位移。這些病害產(chǎn)生的原因主要是由于外部荷載太大或地基承載力不足等，致使墩臺(tái)、基礎(chǔ)發(fā)生沉降、位移，或者由于水流沖刷，將墩臺(tái)基礎(chǔ)掏空，使得墩臺(tái)處于懸空狀態(tài)，很容易發(fā)生沉降或位移。

2.4 防水層破壞或失效

石拱橋防水層破壞或失效是其最常見的病害。防水層破壞或失效，使拱圈漏水，影響結(jié)構(gòu)安全，縮短了橋梁的使用壽命。影響防水層破壞或失效的原因，主要是用于防水層的材料不當(dāng)。對(duì)于空腹式拱橋而言，其多采用瀝青、油毛氈來作為防水層，而油毛氈容易老化，特別是在變形縫處，因此很難起到相應(yīng)的防水作用；對(duì)于實(shí)腹式拱橋，多采用膠泥或三合土做防水層，但是在施工現(xiàn)場(chǎng)純粘土很難找到，因此施工時(shí)一般用亞粘土代替，防水效果不佳。

3 石拱橋常見加固施工方法

3.1 減輕拱上建筑的重量

在地基承載能力較低或橋臺(tái)不夠穩(wěn)固時(shí)，可采用減輕拱上建筑自重的辦法對(duì)拱橋進(jìn)行改造，以降低對(duì)下部構(gòu)造的要求，同時(shí)也可減輕主拱圈的負(fù)擔(dān)。包括采用輕質(zhì)的拱上填料、縱向穿孔、拱式拱上建筑改為輕型的板式拱上建筑等方法。不過此類方法在減輕拱上建筑的重量時(shí)，應(yīng)特別注意拱的軸向力減小而恒載彎矩增加造成偏心用矩過大的問題，重視在施工時(shí)拱的彎矩變化，切忌在施工過程中因某些截面受力過大甚至造成橋梁在施工中垮塌。

3.2 改拱式拱上建筑為梁拱式拱上建筑

具有拱式拱上建筑的拱橋，為了減輕上部結(jié)構(gòu)的自重，拆除拱上建筑所有傳力結(jié)構(gòu) (拱上填料、側(cè)墻、護(hù)拱)，使主拱和腹拱的拱背完全暴露，在主拱的拱背上按一定的施工程序澆筑鋼筋混凝土或混凝土，其厚度按受力情況確定。此時(shí)主拱圈即成為變截面組合截面拱。然后接高腹拱墩，按梁板式的施工程序完成全橋的施工。由于拱上建筑既有梁又有拱 (腹拱一般留作施工支架)，故稱為梁拱式拱上建筑。這種加固方法由于在拱背上操作，不用塔設(shè)支架，施工快捷、方便，新老混凝土的連接較好，造價(jià)也較低，在加強(qiáng)了主拱圈的同時(shí)，還可減輕上部結(jié)構(gòu)的重量。在加固多孔連拱時(shí)，一般無需加固其下部結(jié)構(gòu)，在這種情況下，用此加固方法，優(yōu)點(diǎn)更為突出。

3.3 加強(qiáng)主拱圈

（1）錨噴加固

“錨噴”，系借錨入原結(jié)構(gòu)內(nèi)的錨桿掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，再施噴加入適量速凝劑的混凝土至主拱圈面層，形成與原主拱圈共同承受外荷載作用的組合結(jié)構(gòu)。錨噴加固具有粘結(jié)性好、早期強(qiáng)度高、基本不用模板、施工快速簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。但錨噴技術(shù)加固拱橋存在后期強(qiáng)度低、不利于橋梁永久性使用的缺陷。

（2）粘貼加固

粘貼加固一般采用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板、鋼筋、玻璃鋼、碳纖維等抗拉強(qiáng)度高的材料粘貼在主拱圈表面，使之與結(jié)構(gòu)物形成整體，從而達(dá)到提高主拱圈的抗彎和抗剪強(qiáng)度、抑制裂縫擴(kuò)展的目的。粘貼加固具有與結(jié)構(gòu)物粘附性能較好、加工成型容易、用料量少、錨固牢靠方便、加固效果明顯等特點(diǎn)。

（3）體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)

體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁上部構(gòu)造多用于梁橋， 對(duì)于拱圈開裂以及橋臺(tái)產(chǎn)生位移， 拱頂下?lián)系墓皹颍?也可采用此法加固。其作法是:對(duì)主拱圈縱向開裂的拱橋，設(shè)置橫橋向的鋼拉桿施加預(yù)應(yīng)力加固；對(duì)主拱圈橫向開裂或橋臺(tái)位移、拱頂下?lián)系墓皹?，則采用順橋向設(shè)置鋼筋或鋼拉桿施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固。

3.4 增強(qiáng)橫向聯(lián)系

增強(qiáng)橫向聯(lián)系主要采取兩種方法:一是增大橫向聯(lián)系的剛度，如改橫系梁為橫隔板；一是增加橫向聯(lián)系的數(shù)目。增強(qiáng)橫向聯(lián)系，可使拱圈的受力比較均勻，避免因橫向聯(lián)系不足而產(chǎn)生的各種問題。對(duì)于截面整體性較差的拱橋，增強(qiáng)橫向聯(lián)系的意義更為重大。早期修建的雙曲拱橋，橫向聯(lián)系大多比較薄弱，特別是采用預(yù)制安裝法施工的橫系梁，更為突出。

4 石拱橋加固實(shí)例

4.1 工程概況

某石拱橋位于福建國(guó)道G316公路上，該橋計(jì)算跨徑25m,橋梁全長(zhǎng)41m，橋面總寬7.5m，矢跨比為1/3。建于1992年，設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級(jí)、掛車100。由于當(dāng)時(shí)施工原因及原橋設(shè)計(jì)荷載較低，拱圈及橋臺(tái)均出現(xiàn)開裂，因此要求對(duì)該橋進(jìn)行加固設(shè)計(jì)及施工。

4.2 加固方案

為防止拱圈及橋臺(tái)出現(xiàn)變形，采用在拱腹下和橋臺(tái)前墻增加厚鋼筋混凝土的形式，并通過錨桿使新鋼筋混凝土層與拱圈及橋臺(tái)結(jié)合共同受力。

4.3 施工步驟

（1）搭建施工平臺(tái)。

（2）在橋臺(tái)和主拱圈肋下定好錨桿的位置，用直徑為30mm的電鉆鉆孔 （20mm的錨桿），鉆孔與拱圈表面垂直，橋臺(tái)的錨桿應(yīng)向下呈45°，錨桿間距為60cm，呈梅花形布置。拱圈錨桿長(zhǎng)度為60cm、橋臺(tái)錨桿為200cm，用高壓氣將鉆孔內(nèi)的灰塵吹掉，從孔底逐步向孔口填塞入錨固劑直至塞滿為止，將鋼筋旋轉(zhuǎn)插入孔底。

（3）清理主拱圈。待植入筋錨固力達(dá)到要求后，用高壓水槍反復(fù)噴射混凝土破壞部位和裸露生銹的鋼筋。

（4）修補(bǔ)主拱圈。將水泥、中沙、ZV膠、水按一定的比例調(diào)配聚合物修補(bǔ)砂漿后，將其用抹刀壓入槽中，壓實(shí)并抹平；采用灑水和塑料薄膜相結(jié)合的養(yǎng)生辦法對(duì)修補(bǔ)的地方進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

（5）布筋。等植入鋼筋錨桿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，將底層鋼筋焊接在錨桿上，底層鋼筋網(wǎng)布置完成后再布置面層鋼筋網(wǎng)，最后按照鋼筋布置圖將所有鋼筋幫扎好。

（6）安裝模板。先安裝好橋臺(tái)前墻的模板，剩下模板先搭建好模板骨架，待混凝土澆筑到一定位置時(shí)，再鋪設(shè)木板。

（7）澆筑混凝土。先兩側(cè)同時(shí)對(duì)稱澆筑橋臺(tái)前墻，在兩側(cè)同時(shí)對(duì)稱地向拱頂澆注，澆筑混凝土應(yīng)連續(xù)不間斷地進(jìn)行作業(yè)。在拱頂時(shí)，先裝好里面邊模，外面邊模張開一點(diǎn)便于灌注混凝土，待混凝土初凝后，鑿除多余部分至拱圈平面，用聚合物修補(bǔ)砂漿壓實(shí)抹平。其中在拌制混凝土?xí)r可添加GMA無收縮自流密實(shí)混凝土外加劑，防止新舊混凝土的脫結(jié)和裂縫的產(chǎn)生。

（8）拆模、修飾、養(yǎng)生。常溫下一星期后便可拆模，拆模后露在拱圈外的鐵絲用氧焊吹掉，與拱圈面成凹形，再用聚合物修補(bǔ)砂漿壓實(shí)抹平即可。繼續(xù)養(yǎng)生至混凝土養(yǎng)護(hù)期，完成整個(gè)拱圈加固工作。

5 施工中應(yīng)注意的主要問題

5.1 拱圈的砌筑問題

修建拱圈，最為重要的是要保證在整個(gè)施工過程中拱架受力均勻，變形最小，使拱圈的質(zhì)量符合實(shí)際要求。為此，必須選擇適當(dāng)?shù)钠鲋椒?。施工方法的選擇一般根據(jù)跨徑大小、構(gòu)造型式等分別采用。

（1）跨徑在10m以下的拱圈，通常，可按拱的全寬和全厚，由兩側(cè)拱腳同時(shí)對(duì)稱地向拱頂砌筑。但應(yīng)當(dāng)注意，盡量爭(zhēng)取盡可能快的速度，使在拱頂合攏時(shí)，石拱橋拱石砌縫中的砂漿尚未凝結(jié)。

（2）跨徑10～15m的拱圈，最好在拱腳預(yù)留縫，由拱腳向拱頂按全寬、全厚進(jìn)行砌筑。為了防止拱架的拱頂部分上翹，可在拱頂區(qū)段預(yù)先壓重。壓重時(shí)，一般自拱腳向上砌到1/3矢高左右，就在拱頂1/3L范圍內(nèi)預(yù)壓占總數(shù)20%的拱石。待拱圈砌縫的砂漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后，再將拱圈預(yù)留空縫用砂漿填塞。

（3）大、中跨徑的拱橋，一般采用分段施工或分環(huán)(分層)與分段相結(jié)合的施工方法。分段施工可使拱架變形比較均勻，并可避免拱圈的反復(fù)變形。分段的位置與拱架的受力和結(jié)構(gòu)型式有關(guān)，一般應(yīng)設(shè)置在拱架撓曲線有轉(zhuǎn)折及拱圈彎矩比較大的地方，如拱頂、拱腳及拱架的節(jié)點(diǎn)處。對(duì)于石拱橋，分段間應(yīng)預(yù)留0.03～0.04m的空縫后設(shè)置木撐架，混凝土拱圈則應(yīng)在分段間設(shè)混凝土擋板 (端模板)，待拱圈砌筑后再用砂漿 (或埋入石塊、澆注混凝土)灌縫。拱頂處封拱必須在所有空縫填塞并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后才能進(jìn)行。另外，還需注意封拱(合攏)時(shí)的大氣溫度是否符合設(shè)計(jì)要求。如果設(shè)計(jì)無明確要求，應(yīng)該在氣溫較低時(shí)，如凌晨時(shí)，進(jìn)行。

（4）當(dāng)跨徑大、拱圈厚度較大，由多層拱石或預(yù)制混凝土塊等組成時(shí)，可將拱圈全厚分層，即分環(huán)施工。按分段施工法修建好一環(huán)合攏成拱，待砂漿或混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再澆注或者砌筑上面一環(huán)。這樣，第一環(huán)拱圈就能起拱的作用，參與拱架共同承受第二環(huán)拱圈結(jié)構(gòu)的重力。以后個(gè)環(huán)節(jié)均按照上述工序進(jìn)行。分層施工，大大減小了拱架的設(shè)計(jì)荷載，合攏快，施工安全系數(shù)高，也節(jié)省了拱架。

5.2 拱上建筑的施工問題

拱上建筑施工，應(yīng)在拱圈合攏，混凝土或砂漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的30%后，才能進(jìn)行。對(duì)于石拱橋，一般來說，應(yīng)不少于合攏后三晝夜。

拱上建筑施工，應(yīng)避免使主拱圈產(chǎn)生過大的不均勻變形。實(shí)腹式拱上建筑，應(yīng)由拱腳向拱頂對(duì)稱砌筑。在側(cè)墻砌筑好后，再填筑拱腹填料，修建橋面結(jié)構(gòu)后續(xù)工程?？崭故焦皹蛞话闶窃诟构岸掌鲋旰?，隨即卸落拱架，之后再對(duì)稱均衡地砌筑拱圈，以免使主拱圈產(chǎn)生不均勻下沉，導(dǎo)致腹拱圈開裂。在多孔連續(xù)拱橋中，當(dāng)橋墩不是按施工單向受力墩設(shè)計(jì)時(shí)，仍應(yīng)注意相鄰孔間的對(duì)稱均衡施工，避免使橋墩承受過大的單向推力。在裸拱圈上修建拱上結(jié)構(gòu)的多孔連拱時(shí)，更應(yīng)注意相鄰孔間的對(duì)稱均衡施工，以免影響拱圈的質(zhì)量和安全。

6 結(jié)束語

石拱橋是我國(guó)傳統(tǒng)的橋梁三大基本形式之一，目前廣泛分布于祖國(guó)大地，尤其是農(nóng)村公路上。隨著交通量的增長(zhǎng)，越來越多的石拱橋處于病態(tài)中。在對(duì)其養(yǎng)護(hù)過程中，發(fā)現(xiàn)病害、查明病害原因，并找準(zhǔn)合適的維修加固方法，對(duì)提高石拱橋的使用壽命有極其重要的意義。

[1]黃玉萍.舊石拱橋病害與加固[J].福建建材,2009.

[2]邢秀清.石拱橋常見橋型與病害分析[J].山西建筑,2010.

[3]方德銘,夏樟華,左小剛.蘇家坡石拱橋病害原因分析及套拱加固[J].世界橋梁,2011.

圖4 施工后的峒口橋

(4)攤鋪碾壓前施工粘結(jié)層：攤鋪前4h，刮涂施工防水粘結(jié)層，破乳固結(jié)后再進(jìn)行面層攤鋪施工。

2.2.5 養(yǎng)生開放交通

(1)常規(guī)養(yǎng)生：在溫度高于15℃，濕度小于65%的晴天條件下，養(yǎng)生4～5h，即可以開放交通；

(2)實(shí)際養(yǎng)生：由于施工為冬季，氣溫低，沒有陽光，濕度大，所以右幅養(yǎng)生時(shí)間為18～20h，左幅養(yǎng)生大約4h(因?yàn)楫?dāng)天氣溫中午為15℃，有陽光)；

(3)全程施工時(shí)間控制：2～3h內(nèi)。

施工后的峒口橋見圖4。

3 結(jié)語

南平市316國(guó)道峒口橋橋面修復(fù)方案具有無需鑿除舊橋面鋪裝層，施工簡(jiǎn)單、便捷、冷拌冷鋪、節(jié)能環(huán)保、養(yǎng)生期短等優(yōu)點(diǎn)，而且業(yè)已經(jīng)過極端低溫與雨季的考驗(yàn)，目前狀況良好。該橋面鋪裝的實(shí)施為有效解決上述舊橋橋面鋪裝問題進(jìn)行了有益的嘗試，對(duì)大量舊橋橋面修復(fù)改造、國(guó)省道和城市道路路面快速修復(fù)將具有借鑒意義。