石拱橋涵常見病害及維修加固方法

呂世勛 郭自遠 康學偉 王靜霞

【摘要】石拱橋涵在使用過程中，隨著使用年限的增加，其結(jié)構(gòu)性能逐漸退化，出現(xiàn)各種損傷，為保證其安全性，就需要經(jīng)常進行維修來滿足其使用功能并延長其使用壽命。針對既有橋涵的損傷、缺陷及使用情況，維修改造處理方案的主要目的是提高橋涵的耐久性、安全性和使用性，防護石料繼續(xù)風化、腐蝕，提高橋涵的承載能力以及對己存在缺陷的治理。

【關(guān)鍵詞】橋涵；病害；治理

Common Diseases and Repairing Methods of Stone Arch Bridge

Lv Shi-xun 1，Guo Zi-yuan2，Kang Xue-wei2，Wang Jing-xia3，Liu Yan-dong4

（1.Xingtai City Highway Engineering Management OfficeXingtaiHebei054000 ；

2.Chengde City Transportation BureauChengdeHebei067000 ；

3.Hebei Province Expressway Command and Dispatching CenterShijiazhuangHebei050000 ；

4.Xingtai City Highway Survey and Design OfficeXingtaiHebei054000）

【Abstract】Stone arch bridge in the use of the process， with the increase in the useful life of its structural properties gradually degenerate， there are a variety of damage， in order to ensure its safety， you need to regularly repair to meet its use and extend its service life. The main purpose of the maintenance and renovation treatment plan is to improve the durability， safety and usability of the bridge and culvert， to prevent the weathering and corrosion of the stone， to improve the bearing capacity of the bridge and the existing defects. Governance.

【Key words】Bridge and culverts；Disease

對于受損橋涵的治理，包括維修和加固兩大部分。由于橋涵缺陷和損傷程度、原因不同，橋涵的治理也不同。一般情況下，維修的目的是提高結(jié)構(gòu)的耐久性或改善結(jié)構(gòu)的工作性能，加固的目的則主要是恢復或提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

1. 石拱橋涵常見病害分析

1.1石拱橋涵具有就地取材、施工簡單、不需要大型設(shè)備等特點，在20世紀50年代至80年代得到大量推廣使用。由于當時設(shè)計荷載較小，隨著車輛荷載的增大，大多數(shù)石拱橋涵處于超負荷狀態(tài)，并且石拱橋涵自重大，拱圈受力后產(chǎn)生較大白水平推力，對地基和墩臺承載力要求高，由于設(shè)計和施工的不足，因而出現(xiàn)病害情況較多，需要維修加固，提高其承載能力。

1.2由于施工出現(xiàn)問題引起石拱橋涵承載能力不足而發(fā)生事故，原因有如下幾種：

（1）拱架強度或剛度不足；

（2）拱圈加載不均衡；

（3）拱上構(gòu)造加載不均衡；

（4）卸架不均衡；

（5）砌石拱圈施工質(zhì)量問題，比如灰縫不飽滿、砂漿強度太低、石料木號太低、砌石未錯縫等；

（6）過早卸架，未等拱上建筑完成而裸拱卸載。

1.3主拱圈橫向開裂原因分析。

主拱圈裂縫是石拱橋涵最常見的病害。主拱圈開裂嚴重影響到橋梁的安全，主要有主拱圈橫向開裂與縱向開裂。主拱圈橫向開裂多發(fā)生在拱頂下部或拱腳上部，有時甚至會開裂至拱壁其主要原因分析如下：

（1）主拱圈厚度太薄或材料強度不夠。石拱橋涵主拱圈的內(nèi)力分析表明，主頂正彎矩最大，拱腳負彎矩最大，拱頂、拱腳為設(shè)計控制截面，若截面抗多小于設(shè)計荷載內(nèi)力，將造成拱頂下部或拱腳上部開裂。

（2）基礎(chǔ)沉陷，墩臺移動。石拱橋涵多數(shù)按無鉸拱設(shè)計，為超靜定結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)沉陷或墩臺位移引起的主拱圈附加應力非常大。

（3）拱圈受力不對稱。主要發(fā)生在坡橋與彎橋上。有些坡橋坡度較大，而主拱圈設(shè)置采用平置，造成拱上建筑不對稱，使拱圈受力不對稱。車輛在彎橋上轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生向心力，造成拱圈彎道外側(cè)開裂。

（4）設(shè)計時拱軸系數(shù)選擇不當或施工造成拱圈變形，使荷載壓力線與拱軸中心線偏離太大而開裂。

（5）施工質(zhì)量差。如砂漿不飽滿、砌筑工藝不規(guī)范等。

主拱圈橫向開裂病害對原結(jié)構(gòu)的影響：如果主拱圈出現(xiàn)橫向裂縫后發(fā)展到拱厚的一定深度，開裂面的抗彎慣性矩將大大降低，相當于形成鉸，改變了原結(jié)構(gòu)體系，同時內(nèi)力也將發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低。如果出現(xiàn)多條橫向裂縫，形成三鉸以上時，將導致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

1.4主拱圈縱向開裂原因分析。

主拱圈的縱向開裂原因分析如下：

（1）主拱圈縱向裂隙主要由施工引起，拱圈多采用分環(huán)砌筑，如在施工時未注意環(huán)與環(huán)交錯搭接，則會在拱圈下部腹石上發(fā)生縱向裂縫；

（2）拱上側(cè)土壓力的作用；

（3）結(jié)構(gòu)本身的特殊受力因素，如彎橋受離心力作用，斜橋的鈍角與銳角部分受彎受扭相差較大；

（4）拱上側(cè)墻與橋臺側(cè)墻連為一體，在較大的側(cè)土壓力作用下，橋臺發(fā)生側(cè)向受力變形。

主拱圈縱向開裂病害對原結(jié)構(gòu)的影響：結(jié)構(gòu)本身的橫向抗力差；外界的一種或幾種不利的橫向力過大，當超過拱圈橫向抵抗強度則導致縱向開裂破壞。拱圈產(chǎn)生縱向裂縫后，結(jié)構(gòu)的整體性被破壞。裂縫兩側(cè)拱圈的受力、變形不均勻，局部部位的內(nèi)力將增大。由于裂縫使橫向受力性能減弱，在橫向力增大的情況下，裂縫將繼續(xù)發(fā)展，降低拱橋的承載能力。

1.5腹拱圈開裂。

腹拱圈開裂最嚴重且普遍，是石拱橋涵最主要的病害。主要原因有以下幾個方面：

（1）如果腹拱太坦，就會產(chǎn)生較大的腹拱推力，導致施工質(zhì)量較差，易產(chǎn)生裂縫從而不能滿足設(shè)計要求。

（2）鉸縫處理不當。石砌腹拱圈的鉸石應選擇石質(zhì)堅硬且無裂紋的石料，一對鉸石的接觸面應較一般拱石多加修鑿以增大實際接觸面積，如果施工中未達到要求，會造成鉸石破壞而開裂。

（3）拱與拱上建筑的聯(lián)合作用顯著影響拱上建筑的內(nèi)力，拱上建筑剛度越大，影響就越大?？紤]拱上建筑與拱共同工作所計算的內(nèi)力與分開計算的結(jié)果可能迥然不同，如構(gòu)造處理不妥而按分開計算設(shè)計，則拱上建筑可能嚴重開裂甚至破壞。

（4）腹拱的開裂造成橋面破壞，加上養(yǎng)護不到位，引起橋面滲水，進一步加劇了腹拱圈的開裂。

1.6橋面破損。

橋面破損影響行車安全，放大了行車的動力效應，輕則使行車輕微顛簸，重則產(chǎn)生跳車。且車輛經(jīng)過跳車處時，會引起腹拱嚴重振動，增加構(gòu)件的疲勞，勢必縮短橋梁的使用壽命。引起石拱橋涵橋面破損的主要原因：

（1）實腹式拱橋多采用柔性填料（砂礫或碎石），柔性填料在車輛荷載作用下的不均勻壓縮變形或臺后排水處理不當，造成填料積水，填料強度降低，引起路面破壞。

（2）空腹式拱橋由于腹拱鉸的存在，為適應變形的需要，側(cè)墻與橋面結(jié)構(gòu)需相應設(shè)置伸縮縫或變形縫，由于縫的存在，構(gòu)造上又不進行改善，易引起橋面從變形縫處開始破壞。

（3）橋面伸縮縫設(shè)置構(gòu)造過于簡單，不能滿足橋面變形的需要，造成橋面破壞。

1.7防水層破壞或失效。

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主要原因：

實腹式拱橋多采用膠泥或三合土做防水層，在施工現(xiàn)場純粘土很難找到，施工時就用一般亞粘土代替，防水效果不佳：膠泥和三合土的水固比難把握，特別是在填料夯實過程中，三合土易軟化而失效。

空腹式拱橋多采用瀝青，容易破壞或開裂。如橋面有滲水，膠泥或油毛氈防水層，油毛氈容易老化，特別是變形縫處很難保證瀝青麻絮密實。

1.8橋墩臺基礎(chǔ)破壞。

（1）主要由地基引起墩臺不均勻沉降、傾斜、滑移和上部結(jié)構(gòu)的不對稱荷載引起橋墩水平推力平衡失效造成。墩臺基礎(chǔ)破壞與上部結(jié)構(gòu)破壞是相互的，下部破壞引起上部拱圈開裂，進而又加劇了橋墩臺的破壞。

（2）石拱橋涵的病害還不止這些，導致原因也各種各樣?？傮w上看，產(chǎn)生這些病害的原因可以歸結(jié)為內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要是指石材品質(zhì)差、設(shè)計不合理、施工質(zhì)量不過關(guān)等。外因主要是基礎(chǔ)的位移、外荷載過大或其他自然因素。石拱橋涵的病害有的可能會影響橋梁的安全，有的可能只是影響橋梁的使用性能。因此在對石拱橋涵的病害進行詳盡的調(diào)查分析后，可根據(jù)危害程度區(qū)分不同情況進行處理，對那些危及交通安全的病害要及時處理，必要時對橋梁進行技術(shù)改造。

2. 石拱橋涵的維修

2.1石拱橋涵的維修工作主要是修理拱圈和拱上結(jié)構(gòu)砌體的個別損傷部分，如裂縫、局部變形等，恢復損傷結(jié)構(gòu)的整體作用。修理拱橋個別損傷常用的方法有下列幾種：

（1）修理防水層。

為防止?jié)B漏，磚、石拱橋涵均應做防水層。如發(fā)現(xiàn)沒有防水層或防水層損壞失效時，應挖開拱上填料重做或重做橋面加鋪黑色路面，防止橋面滲漏。

（2）保護面層不受風化。

磚、石拱橋涵要注意灰縫的保養(yǎng)，如有脫落應及時修補，如磚、石有風化剝落，可噴刷一層1～3cm的10號以上的水泥砂漿，噴漿應分2～3層噴注，每隔1～2日噴一層。必要時，可加布一層鋼絲網(wǎng)，以增加噴涂層的強度。

（3）石拱橋涵的裂縫處治。

應先找出造成裂縫的原因，對癥下藥。如果拱圈裂縫是因為墩臺位移或沉陷引起的，先處理墩臺位移或沉陷問題，再對拱圈裂縫進行封閉處理即可。

2.2如果拱圈裂縫是因為拱圈承載力不夠造成的，則除了對拱圈裂縫封閉處理外，還要進行補強處理。拱圈裂縫的封閉處理方法如下：

（1）砂漿填縫：操作時，將縫隙清理并沖洗干凈，根據(jù)裂縫寬度不同分別用勾縫刀、抹子、刮刀等工具將砂漿填灌裂縫并將表面抹平，所用砂漿通常采用1：2.5或1：3水泥砂漿，但不得低于砌筑砂漿強度。這種處理方法可在美觀、耐久性等方面起到一定作用，但在砌體整體性、強度提高等方面所起的作用不大。

（2）環(huán)氧砂漿或環(huán)氧漿液填縫：先在裂縫處鑿一V形槽，寬約1～2cm深約1～3cm，槽面應盡量平整。用水沖洗干凈并烘干，在縫四周先涂一層環(huán)氧漿液，如裂縫較深，在垂直方向也可靜力灌漿或注射灌漿，環(huán)氧漿液可灌入0.25mm的細縫中。最后嵌入環(huán)氧砂漿，用刮刀使平面低于原圬工面1cm左右。待環(huán)氧砂漿硬化后，用水泥砂漿將裂縫填滿并敷面，以使裂縫處外觀與其余部位一致，更加美觀。環(huán)氧砂漿養(yǎng)護期間應禁止車輛通行，不宜受潮、受震。

（3）采用進口化學粘結(jié)劑封閉微裂縫：目前用得比較廣泛的處理微裂縫的方式是采用進口化學材料灌漿，如瑞士的“喜利得”化學粘結(jié)劑，采用封閉注射灌漿法，操作非常簡便，且粘結(jié)強度相當高。

3. 石拱橋涵的加固

3.1橋涵加固技術(shù)路線。

對有損傷的橋涵進行的加固較新建結(jié)構(gòu)更為復雜，它不僅要受到己有結(jié)構(gòu)的種種限制，還由于結(jié)構(gòu)損傷和缺陷的存在以及約束條件的變化等，使得結(jié)構(gòu)的處理更為困難，而且橋涵設(shè)計的各種參數(shù)（如材料強度、荷載狀況等）的取值取決于現(xiàn)場的調(diào)查等。因此，在確定橋涵的加固方案時，應周密考慮，嚴格遵循有關(guān)的工作程序和原則，選用的方法不僅要安全可靠，而且還要經(jīng)濟合理。

3.1.1進行橋涵加固的基本原則是：

（1）一般應以不更改結(jié)構(gòu)形式為原則，避免不必要的構(gòu)件拆除和更換。

（2）應考慮投資少，功效快，不影響交通，技術(shù)上可行，有較好的耐久性等方面的要求。

（3）應對結(jié)構(gòu)現(xiàn)有材料性能進行檢測，通過實測評定材料的實際強度等級。

（4）需考慮加固所處空間、結(jié)構(gòu)損傷程度、修補后的耐久年限等。

（5）應考慮恢復后建筑物的總體效應和重新分布的受力狀態(tài)。

3.1.2橋涵結(jié)構(gòu)加固的工作程序為：

橋涵檢定→確定加固方案→施工圖設(shè)計→施工組織設(shè)計→施工→工程驗收。

對橋涵結(jié)構(gòu)加固方案的選擇十分重要，方案的優(yōu)劣不僅影響資金的投入，而且將影響橋涵加固的質(zhì)量。合理的加固方案應該達到加固效果好，對使用性能影響小，技術(shù)可靠，施工簡便和經(jīng)濟合理。

3.2橋涵加固內(nèi)容。

橋涵加固的主要內(nèi)容：對發(fā)生病害而不能滿足運輸要求的橋涵設(shè)備進行整治、加固和改善，目的是恢復原有橋涵建筑物的整體使用效能和延長使用年限；提高原有橋涵結(jié)構(gòu)物的荷載等級和通行能力。

橋涵加固工作的主要內(nèi)容有，對舊橋上部構(gòu)件進行加固；對舊橋下部構(gòu)件進行加固；拓寬橋涵的行車道或人行道；升高橋涵上部構(gòu)造的高度；更換橋涵行車道路面或引橋路面的結(jié)構(gòu)等等。

橋涵的加固工作，應充分利用原有的部分，凡能加固的，則不宜改建。

3.3石拱橋涵加固的常用方法。

3.3.1為提高舊橋的承載能力和通行能力，必須對舊橋采取各種加固措施。根據(jù)橋涵病害檢測分析和鑒定評估結(jié)果，橋涵結(jié)構(gòu)加固設(shè)計分為：承載力加固（強度加固）、使用功能加固（剛度加固）、耐久性加固和抗震加固四種情況。

3.3.2承載力加固是確保結(jié)構(gòu)安全工作的基礎(chǔ)，是橋涵改造加固設(shè)計的核心內(nèi)容，其內(nèi)容包括正截面抗彎承載力加固和斜截面抗剪承載力加固兩部分。

3.3.3使用功能加固是確保橋涵正常工作的需要，主要是對活載變形或振動過大的構(gòu)件，加大截面尺寸，增加截面剛度，以滿足結(jié)構(gòu)使用功能要求。

3.3.4耐久性加固是指對結(jié)構(gòu)損傷部位進行修復和補強，以阻止結(jié)構(gòu)損傷部分的性能繼續(xù)惡化，消除損傷隱患，提高結(jié)構(gòu)的可靠性，提高結(jié)構(gòu)的使用功能，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3.3.5抗震加固是對遭受地震破壞的結(jié)構(gòu)進行修復、增強結(jié)構(gòu)的延性和整體工作性能、提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

3.3.6目前拱橋的改造加固方法，豐富多彩，不一而足，新的加固方法不斷涌現(xiàn)，但歸根結(jié)底，主要還是增大拱圈截面，增強拱肋、拱波之間的聯(lián)系，加強橫向聯(lián)系，減輕拱上建筑的重量等幾種基本方法及其衍生。其加固原理如下：

σ=N/A±M/W0≤[σ]（3-1）

σ=M/W0≤[σ]（3-2）

3.3.7根據(jù)上述力學公式（3-1）或（3-2），目前加固主要通過改變σ，[σ]的方法達到目的。如增大截面法，通過增大A_0，I0或W0減小截面應力σ，粘貼加固法則是靠增大[σ]來提高材料的容許承載應力。套箍法原理上也屬于增大截面面積法。這些方法可以因地制宜配合使用。

參考文獻

[1]李炎，徐海，胡旭銘，25米跨石拱橋涵加固改造實例[J].浙江交通科技.2005.3： 23～25.

[2]楊漢文，劉剛新.公路磚石拱橋涵加固原理及實效分析[J].交通科技.2005.5：

[3]王振領(lǐng)，林擁軍，錢永久.新老混凝土結(jié)合面抗剪性能試驗研究[J].西南交通大學學報.2005.10： 600～604.

[4]陳文光.東莞萬江大橋舊橋拱圈加固工程施工[J].廣東交通科技.2002.12：

[基金項目]河北省教育廳科技項目（Z2017037）.

[文章編號]1619-2737（2017）05-17-903