大跨度石拱橋的關(guān)鍵病害分析和整治措施

陳　鴻

(巴中市恩陽(yáng)區(qū)交通運(yùn)輸局, 四川巴中 636600)

石拱橋因其具有造型優(yōu)美、取材方便、造價(jià)低廉、承載潛力大等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)特別是在西南地區(qū)被廣泛應(yīng)用，舊橋中石拱橋的比例更大。但同時(shí)，隨著修建年代的推移，通行荷載等級(jí)提高，大量的石拱橋出現(xiàn)了不同程度的病害，給交通通行帶來(lái)了安全隱患。因此針對(duì)拱橋掌握病害成因，提出有效的加固技術(shù)、方法，對(duì)我國(guó)的舊橋養(yǎng)護(hù)工作具有特殊意義。本文總結(jié)了大跨度石拱橋主要構(gòu)件的關(guān)鍵性病害，并對(duì)其成因進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)加固措施。

1　大跨度石拱橋的病害及成因分析

橋梁結(jié)構(gòu)的病害通常分為結(jié)構(gòu)性病害及非結(jié)構(gòu)性病害[1]，對(duì)于前者將直接對(duì)結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成隱患，需要高度重視，后者會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用，通常不會(huì)直接對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成安全隱患。因而在對(duì)石拱橋進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)估時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)定性地區(qū)分是否為結(jié)構(gòu)性病害還是非結(jié)構(gòu)性病害，確定石拱橋關(guān)鍵性病害。

1.1　主拱圈

主拱圈是拱橋的最主要承重構(gòu)件，拱圈病害的產(chǎn)生、發(fā)展、病害特征與基礎(chǔ)和墩臺(tái)、拱上建筑、橋面系、運(yùn)行荷載密切相關(guān)。

1.1.1主拱圈下?lián)献冃?/p>

主拱圈下?lián)献冃翁貏e是在拱頂區(qū)段，主拱圈不再是一條圓滑的曲線，局部呈現(xiàn)出折線狀。其主要原因如下：(1)由于施工時(shí)拱架放樣、施工時(shí)拱架剛度不足、施工質(zhì)量差導(dǎo)致主拱圈發(fā)生了永久性變形；(2)拱軸系數(shù)選擇不當(dāng)，使荷載壓力線與拱軸中心線偏離太大而開(kāi)裂下?lián)希?3)超載運(yùn)營(yíng)引起變形。拱圈的過(guò)大變形會(huì)導(dǎo)致其的實(shí)際拱軸線發(fā)生了變化，拱軸線已不是合理的拱軸線或設(shè)計(jì)拱軸線，橋梁內(nèi)力發(fā)生了不利的變化[2]。

1.1.2主拱圈開(kāi)裂

主拱圈開(kāi)裂，主要有橫向開(kāi)裂與縱向開(kāi)裂。一部分裂縫沿砌縫擴(kuò)展，一部分裂縫出現(xiàn)在砌體，也有的裂縫同時(shí)貫穿了砌縫和砌體。對(duì)于石拱橋的材質(zhì)，優(yōu)點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度高，缺點(diǎn)是由于砌縫存在導(dǎo)致抗拉和抗剪強(qiáng)度很低。

1.1.2.1橫向裂縫

橫向裂縫主要發(fā)生在拱頂區(qū)段拱腹或拱腳區(qū)段拱背。主拱圈的小偏心受壓結(jié)構(gòu)，拱頂和拱腳為受力控制截面，拱頂正彎矩最大，拱腳負(fù)彎矩最大，若截面抗力小于荷載內(nèi)力，將造成拱頂區(qū)段拱腹或拱腳區(qū)段拱背開(kāi)裂。橫向裂縫產(chǎn)生的主要有兩個(gè)原因：(1)墩臺(tái)基礎(chǔ)未放置在基巖上，導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降或縱向位移。石拱橋多數(shù)為無(wú)鉸拱，即為超靜定結(jié)構(gòu)，墩臺(tái)的位移引起主拱圈產(chǎn)生較大的位移附加力，導(dǎo)致主拱圈開(kāi)裂，甚至形成橫向貫通裂縫；(2)施工時(shí)拱架剛度不足、拱架基礎(chǔ)承載力不足導(dǎo)致主拱圈發(fā)生了沉降變形，主拱圈承受過(guò)大的彎矩。

1.1.2.2縱向裂縫

縱向裂縫通常起于拱腳沿整個(gè)拱圈縱向延伸長(zhǎng)度較長(zhǎng)，主要發(fā)生在拱上橫墻對(duì)應(yīng)的主拱圈拱腹位置及主拱圈橫向中心。前一種縱向裂縫嚴(yán)重影響主拱圈的穩(wěn)定性和承載能力?？v向裂縫產(chǎn)生的主要有三個(gè)原因：(1)彎道石拱橋，長(zhǎng)期承受汽車(chē)離心力和偏心受力的作用； (2)在重車(chē)長(zhǎng)期偏心碾壓下，拱圈承受偏心壓力，拱圈橫向受力不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致拱圈抗剪開(kāi)裂；(3)墩臺(tái)基礎(chǔ)未放置在基巖上，導(dǎo)致基礎(chǔ)不均勻沉降或縱向位移。

橫向裂縫和縱向裂縫產(chǎn)生也有以下原因：(1)建橋年代久遠(yuǎn)，原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)低；(2)主拱圈厚度薄，以及砌縫質(zhì)量差導(dǎo)致主拱圈砌體連接整體性差；(3)拱上填料不滿足要求，如壓實(shí)度不夠、透水性差、填料含泥量大，從而橋面滲水使得拱上填料松軟，導(dǎo)致橋面車(chē)輛荷載通行時(shí)主拱圈會(huì)局部受力；(4)寒冷地區(qū)，主拱圈砌縫滲水后凍脹開(kāi)裂。

1.1.3主拱圈滲水

主拱圈滲水將引起砌體軟化、強(qiáng)度和耐久性降低。主拱圈滲水的主要原因有：防水層破壞或失效；拱上填料不密實(shí)、砌縫不飽滿、橋面排水系統(tǒng)性能差導(dǎo)致橋面積水滲透至拱圈。

1.1.4主拱圈砌體脫落

拱頂拱腹局部區(qū)段的砌體被壓裂后脫落，引發(fā)應(yīng)力集中，加速各種病害的產(chǎn)生與發(fā)展。拱石脫落的主要原因是拱圈砌縫不飽滿或脫落，拱頂填料厚度不足而超重車(chē)對(duì)拱圈的沖擊所致。

1.1.5主拱圈砌體風(fēng)化剝落

大部分石拱橋修建年代早，砌體石料長(zhǎng)期自然風(fēng)化、水氣侵蝕導(dǎo)致拱石表層強(qiáng)度和性能降低，使得石料表面軟化而脫落。

1.2　腹拱圈

大量調(diào)研資料表明，腹拱圈縱向開(kāi)裂和橫向開(kāi)裂是最嚴(yán)重和普遍的，是石拱橋最主要的病害。腹拱圈作為拱上建筑的主要構(gòu)件，是偏心受壓結(jié)構(gòu)。腹拱圈裂縫的產(chǎn)生主要與自身受力特征、拱上填料及橋面通行荷載密切相關(guān)。腹拱圈裂縫產(chǎn)生的主要原因有：(1)腹拱圈拱腳置于主拱圈拱背、拱上橫墻頂部或橋臺(tái)前墻頂部，車(chē)輛荷載作用下主拱圈會(huì)發(fā)生的豎向變形，這直接或間接使得腹拱圈拱腳位移，進(jìn)而會(huì)使得腹拱圈承受較大縱向推力和豎向彎矩，若設(shè)計(jì)和施工時(shí)未在拱上建筑設(shè)置合理變形縫，腹拱圈的開(kāi)裂在所難免；(2)腹拱圈作為拱上建筑主要構(gòu)件，大部分腹拱圈是超靜定結(jié)構(gòu)，主拱圈與拱上建筑的聯(lián)合作用使得腹拱圈承受較大附加次內(nèi)力，使得腹拱圈開(kāi)裂；腹拱圈開(kāi)裂往往是上述兩個(gè)原因所致，因而腹拱圈開(kāi)裂是石拱橋最嚴(yán)重且普遍的病害；(3)拱上填料不滿足要求，如壓實(shí)度不夠、透水性差、填料含泥量大，從而橋面滲水使得腹拱圈的拱上填料松軟，而腹拱圈厚度通常較小，所以橋面通行荷載使得腹拱圈的局部拉應(yīng)力和剪應(yīng)力大，這會(huì)導(dǎo)致腹拱圈開(kāi)裂；(4)當(dāng)然，原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)低、砌縫施工質(zhì)量、石料材質(zhì)差、橋面滲水等也是腹拱圈開(kāi)裂的原因。

1.3　拱上建筑

拱上建筑是上部傳力構(gòu)件，起到分布荷載，防止車(chē)輛行駛過(guò)程中對(duì)主拱圈的過(guò)大沖擊，保護(hù)主拱圈免受雨水侵蝕等作用，對(duì)橋梁的承載能力和耐久性具有重要作用。拱上建筑的常見(jiàn)病害主要發(fā)生在側(cè)墻和橋面系。

1.3.1側(cè)墻開(kāi)裂、外傾

大量調(diào)研資料表明，側(cè)墻開(kāi)裂、側(cè)傾是也是石拱橋最主要和普遍的病害。側(cè)墻開(kāi)裂包括側(cè)墻與拱圈連接界面的脫開(kāi)和側(cè)墻自身開(kāi)裂。其主要原因有：(1)拱上填料不滿足要求，如壓實(shí)度不夠、透水性差、填料含泥量大，從而橋面滲水使得拱上填料松軟，重載車(chē)輛長(zhǎng)期碾壓下，填料會(huì)對(duì)側(cè)墻產(chǎn)生很大側(cè)脹力，使得側(cè)墻外傾變形、開(kāi)裂；(2)彎道石拱橋或坡道石拱橋，長(zhǎng)期承受汽車(chē)離心力和沖擊力的作用，側(cè)墻承受較大的側(cè)推力，使得側(cè)墻外傾變形、開(kāi)裂。

1.3.2橋面系

橋面系將橋面活載分布并且傳遞到主拱結(jié)構(gòu)上。橋面破損影響行車(chē)安全，放大了主拱圈、腹拱圈、拱上建筑承受的行車(chē)動(dòng)力效應(yīng)，使得行車(chē)顛簸和跳車(chē)。且車(chē)輛經(jīng)過(guò)跳車(chē)處時(shí)，會(huì)引起腹拱嚴(yán)重振動(dòng)并承受很大的局部沖擊力，導(dǎo)致腹拱圈開(kāi)裂破損。引起石拱橋橋面破損的獨(dú)有原因是：拱上填料在車(chē)輛荷載作用下的不均勻壓縮變形，以及橋面滲水導(dǎo)致填料軟化，引起橋面鋪裝破壞。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分石拱橋修建年代早，后期道路改造往往直接在橋面上多次加鋪路面層，這會(huì)引起主體結(jié)構(gòu)承載的二期恒載多次增大，這應(yīng)該引起足夠重視。

1.3.3拱上橫墻

拱上橫墻病害及產(chǎn)生原因主要有：(1)豎向開(kāi)裂，其產(chǎn)生的主要原因是橋面重載車(chē)輛偏載作用下，導(dǎo)致橫墻偏心受力，其自身天生的抗剪強(qiáng)度低所致；(2)縱向傾斜、基腳縱向剪切移位或頂部與腹拱圈拱腳間剪切移位。該病害往往出現(xiàn)在主拱圈跨度大和拱上橫墻高度大的石拱橋，研究分析其主要原因是：設(shè)計(jì)車(chē)輛荷載從橋面通過(guò)時(shí)，大跨度拱橋的主拱圈豎向位移大，且主拱圈L/4和3L/4豎向位移是反向的。再者拱上橫墻頂部受到其上部的拱上建筑約束作用，上述因素綜合使得拱上橫墻的頂部與基腳處縱向位移不協(xié)調(diào)，從而使得拱上橫墻縱向傾斜、基腳縱向剪切移位或頂部與腹拱圈拱腳間剪切移位，該病害在橋面板厚度大、剛度大的情況尤為明顯。

某大跨度石拱橋拱頂處第一道拱上橫墻基座出現(xiàn)了剪切裂縫，其發(fā)展方向均為從主拱圈跨中往拱腳方向的斜向裂縫，由此判斷該處受到了從主拱圈跨中往拱腳方向的剪切力，使得該處發(fā)生剪切破壞。分析其原因是當(dāng)汽車(chē)在橋面通行時(shí)拱上橫墻受到水平推力，拱上橫墻基座水平力影響線見(jiàn)圖1，該水平推力與橫墻受到的豎向軸力的合力為跨中往拱腳方向的剪力(圖2)，當(dāng)這個(gè)剪切力超過(guò)了拱座的極限承載能力，便產(chǎn)生拱座的剪切破壞及基座與主拱圈接縫開(kāi)裂。

圖1　拱頂處第一道橫墻基座處水平力影響線

圖2　橫墻基座受力

1.4　下部結(jié)構(gòu)

石拱橋?qū)A(chǔ)的抗推能力要求高，基礎(chǔ)是石拱橋的根本。

1.4.1基礎(chǔ)不均勻沉降或水平位移。

石拱橋的基礎(chǔ)普遍為重力式基礎(chǔ)，若基礎(chǔ)未放置在基巖上，基地承載力往往不足，這在早起修建石拱橋時(shí)，由于基巖埋深大，而采用換填或椿樁基礎(chǔ)的情況尤為突出。

1.4.2基礎(chǔ)沖刷嚴(yán)重或掏空。

主要原因是由于基礎(chǔ)覆蓋層長(zhǎng)期遭沖刷侵蝕，或者河道不合理采挖，造成水流沖擊增大，致使基礎(chǔ)沖刷嚴(yán)重或出現(xiàn)基礎(chǔ)裸露。若基礎(chǔ)未放置在基巖上，或者由于基巖埋深大，而采用換填或椿樁基礎(chǔ)，當(dāng)基礎(chǔ)覆蓋層被沖蝕后，基礎(chǔ)穩(wěn)定性將受到嚴(yán)重影響，進(jìn)而危及到橋梁安全甚至垮塌，如江油盤(pán)江大橋垮塌事件。

1.4.3橋臺(tái)側(cè)墻或前墻開(kāi)裂

主要原因有：(1)通行車(chē)輛荷載過(guò)大，使橋臺(tái)側(cè)墻或前墻承受的土側(cè)壓力增大；(2)橋臺(tái)填料不滿足要求，如壓實(shí)度不夠、透水性差、填料含泥量大，從而橋面滲水使得拱上填料松軟，重載車(chē)輛長(zhǎng)期碾壓下，填料會(huì)對(duì)側(cè)墻產(chǎn)生很大側(cè)脹力；(3)橋臺(tái)或者基礎(chǔ)發(fā)生了不均勻沉降。橋臺(tái)側(cè)墻或前墻開(kāi)裂在橋臺(tái)高度大的情況尤為顯著。

石拱橋的病害會(huì)影響橋梁的耐久性，甚至影響到橋梁的正常使用性能和橋梁運(yùn)營(yíng)安全性。大量的實(shí)橋檢測(cè)資料表明，結(jié)構(gòu)性病害的發(fā)展往往會(huì)伴隨非結(jié)構(gòu)性病害的產(chǎn)生；同時(shí)，非結(jié)構(gòu)性病害不及時(shí)處治，又會(huì)進(jìn)一步加劇惡化，誘發(fā)結(jié)構(gòu)性病害，兩者相互加劇影響。因此在對(duì)石拱橋的病害進(jìn)行調(diào)研的時(shí)候，需要根據(jù)石拱橋的病害具體情況及產(chǎn)生原因，及時(shí)采用經(jīng)濟(jì)可靠的加固方案對(duì)其進(jìn)行加固。

2　石拱橋結(jié)構(gòu)性病害的處治措施

針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)性病害，分析其成因，采取有針對(duì)的加固整治措施?，F(xiàn)行的拱橋加固方法多種多樣，近幾年不斷涌現(xiàn)出一些新的加固措施，但所有這些加固方法主要還是增大拱圈截面，增強(qiáng)拱肋之間的聯(lián)系，加強(qiáng)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[3]。

2.1　上部結(jié)構(gòu)加固

石拱橋上部結(jié)構(gòu)加固方法主要有以下幾類(lèi)：(1)鋼筋混凝土套箍拱圈加固法；(2)加設(shè)拱圈加固法；(3)梁拱式拱上建筑加固法，即調(diào)整拱上恒載法；(4)粘貼鋼板加固法；(5)體外預(yù)應(yīng)力加固；(6)釋能加固法；(7)針對(duì)拱圈和側(cè)墻裂縫及結(jié)構(gòu)其他部位裂縫通常采用壓漿加固。

2.2　下部結(jié)構(gòu)加固

對(duì)于石拱橋下部結(jié)構(gòu)加固，墩臺(tái)基礎(chǔ)常用加固法方法主要有：(1)高壓旋噴樁加固技術(shù)；(2)擴(kuò)大基礎(chǔ)加固法；(3)增補(bǔ)樁基法(打入樁或鉆孔灌注樁)；(4)人工地基加固(改良地基)法等。墩臺(tái)常用加固法主要有：(1)用鋼筋混凝土套箍加固貫通裂縫；(2)用鋼筋混凝土框架拉桿加固橋臺(tái)側(cè)墻外傾；(3)用支撐法或增建擋土墻法處理墩臺(tái)滑移。

2.3　主拱圈加固實(shí)例

以筆者所在地區(qū)某空腹式石拱橋?yàn)槔摌蛑骺缈鐝綖?0 m，主拱圈厚度1.6 m，腹拱圈厚度0.4 m，寬度9 m，矢跨比為1/8，即0.125，小于0.25，明顯屬于坦拱橋，下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺(tái)，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)(圖3)。

圖3　某主跨90 m大跨度坦拱橋

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該橋主拱圈有兩條縱向裂縫(一條位于主拱邊緣，寬約0.5～1.5 mm，長(zhǎng)約15 m；一條位于主拱圈中間，寬約0.5～1 mm，長(zhǎng)約30 m)，多個(gè)腹拱圈存在縱向貫通裂縫和橫向貫通裂縫，同時(shí)重載車(chē)輛通行時(shí)，橋梁振動(dòng)響應(yīng)顯著。且通過(guò)結(jié)構(gòu)檢算，該橋主拱圈強(qiáng)度驗(yàn)算和剛度驗(yàn)算不滿足現(xiàn)通行荷載等級(jí)要求。通過(guò)綜合研究，采用鋼筋混凝土套拱加固方法[4]進(jìn)行了主拱圈加固，并采取有效措施防止跨中段新加混凝土加固層與舊主拱圈的常見(jiàn)脫縫缺陷。加固后，對(duì)該橋進(jìn)行了靜、動(dòng)荷載試驗(yàn)，結(jié)果表面加固后有效降低了控制斷面的拉應(yīng)力，提高了正常使用性能，且加固后顯著提高了整體結(jié)構(gòu)的剛度。

文獻(xiàn)[6]針對(duì)某空腹式石拱橋，主拱圈拱頂拱腹側(cè)有一條斜向裂縫，基本貫穿主拱(寬約10 mm)，且上游側(cè)拱腳側(cè)面開(kāi)裂(寬約10 mm)，主拱圈風(fēng)化嚴(yán)重等病害，介紹了采用增大截面法、粘貼鋼板和及“釋能加固法”相結(jié)合的加固方法在石拱橋加固改造中的應(yīng)用。研究表明，“釋能加固法”針對(duì)石拱橋主拱圈加固中是適用的。

2.4　腹拱圈加固實(shí)例

上述圖3所示的空腹式石拱橋，腹拱圈橫向開(kāi)裂(裂縫長(zhǎng)2～3 m，寬約2 mm)，縱向開(kāi)裂(裂縫長(zhǎng)4～5 m，寬約3 mm)等病害，采用增設(shè)混凝土拱板復(fù)合拱圈等加固技術(shù)對(duì)該橋進(jìn)行了加固處理，并在合適位置增設(shè)變形縫釋放腹拱圈彎矩。通過(guò)加固后，該橋各控制截面承載能力提高20 %以上。

3　結(jié)束語(yǔ)

石拱橋病害分析和維修整治是橋梁養(yǎng)護(hù)與維修的一個(gè)重要內(nèi)容，也是公路管理部門(mén)面臨的一項(xiàng)重要課題。時(shí)至今日，石拱橋在交通服務(wù)上仍然扮演著重要的角色。然而通過(guò)大量的實(shí)橋檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，石拱橋因已服役時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)低及超載等原因，使得橋梁出現(xiàn)了大量關(guān)鍵性病害。鑒于石拱橋主要結(jié)構(gòu)性病害的力學(xué)原理比較清楚，在選擇整治措施的時(shí)候，應(yīng)充分分析病害產(chǎn)生的原因，選擇合適的加固方案進(jìn)行整治，達(dá)到最好的加固效果。

本文對(duì)大跨度石拱橋常見(jiàn)的關(guān)鍵性病害進(jìn)行了總結(jié)分析，并分析了其主要成因，對(duì)幾種主要的關(guān)鍵性病害的加固措施進(jìn)行了實(shí)例說(shuō)明，這可供類(lèi)似石拱橋的養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)及加固提供參考。