圬工拱橋病害及加固方法研究

儲兵　楊未蓬

摘 要：為能夠有效地處理圬工拱橋的缺陷，對主拱圈裂縫、拱圈石料風(fēng)化脫落、腹拱變形開裂、側(cè)墻外凸移位進(jìn)行了研究分析，提出了針對主拱圈和石砌拱上建筑在不同適用范圍的加固技術(shù)方法，為圬工拱橋的加固提供參考。

關(guān)鍵詞：圬工拱橋；病害分析；加固方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.089

隨著我國交通行業(yè)的迅速發(fā)展，對公路等級的要求的日漸提升，對那些低等級公路的改建加固也迫在眉睫。圬工拱橋因其取材方便、造價低、外形美觀、施工工藝要求低等特點(diǎn)，在我國20世紀(jì)中期橋梁建設(shè)中迅速涌現(xiàn)，特別是在縣鄉(xiāng)道上所占比例較大。經(jīng)過多年的運(yùn)營，圬工拱橋受施工質(zhì)量的不確定性、營運(yùn)荷載不斷增加和養(yǎng)護(hù)維修的缺陷等不利因素的影響，使得結(jié)構(gòu)的自然老化以及損傷的積累，現(xiàn)役圬工拱橋漸漸地已經(jīng)不能滿足承載能力要求。針對這種情況，如果直接拆除重建，是最簡單的方法，但是由于舊圬工橋拆除會耗費(fèi)大量人力物力，中斷交通；所以采取一種可行有效的方法，在不中斷交通的情況下，對圬工拱橋進(jìn)行相應(yīng)的加固，恢復(fù)乃至提高圬工拱橋的極限承載力，延長橋梁的使用壽命。本文主要是對主拱圈和拱上建筑的病害類型及加固方法進(jìn)行探索。

1 病害分析

1.1 主拱圈裂縫

主拱圈是最重要的受力構(gòu)件，主要承受拱上建筑的荷載，以截面受壓為主，主拱圈是決定拱橋的承載力和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，在圬工拱橋中主拱圈的縱、橫向裂縫最為常見。橫向裂縫主要發(fā)生在拱底截面，部分裂橫向裂縫在荷載作用下逐步向上擴(kuò)展成全截面裂縫，最主要的原因是主拱圈厚度值未達(dá)到設(shè)計(jì)要求；所開產(chǎn)的石塊的力學(xué)強(qiáng)度值不夠，使得主拱圈局部混凝土強(qiáng)度偏低；由外界環(huán)境如基礎(chǔ)沉降等影響容易使得拱圈內(nèi)部受力不均勻，造成主拱圈拱底開裂。

因修建年代久遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工質(zhì)量較低，極易造成主拱圈縱向裂縫的產(chǎn)生。還有部分原因是橋梁受本身的特殊結(jié)構(gòu)和特殊材料的因素影響，主拱圈在彎橋的離心力作用下會產(chǎn)生縱向裂縫；橋面鋪裝破損開裂，在雨水、溫度、車輛沖擊等外荷載作用下容易形成縱向裂縫[1]。

1.2 拱石風(fēng)化、脫落

拱石風(fēng)化是一個自然界中風(fēng)化的過程，主要是石料在空氣和水的作用下發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，石料的表面逐漸剝落。

在圬工拱橋大量修建的年代，由于施工人員技術(shù)水平較低，或者不重視施工過程中各種材料的質(zhì)量檢測，在主拱圈砌筑過程中砂漿強(qiáng)度不夠，隨著時間的流逝，在重車和超載車作用下形成巨大的沖擊作用造成局部拱石脫落。

1.3 腹拱圈變形、開裂

拱橋的腹拱圈的功能要求是要滿足在荷載作用下能夠自由地變形，且腹拱圈的矢跨比設(shè)計(jì)要合理，否則易使腹拱腳處產(chǎn)生較大的水平推力，從而形成裂縫[2]；施工過程中主拱圈在哪個階段落架對腹拱圈有著較大的影響，如果在腹拱修建完成后落架，主拱圈的變形將會對腹拱圈造成開裂。開始時腹拱圈只是出現(xiàn)較短的裂縫，長此以往，當(dāng)腹拱圈的裂縫繼續(xù)擴(kuò)散到一定程度時，因受力過大而產(chǎn)生裂縫，主拱圈的強(qiáng)度降底。

1.4 側(cè)墻變形、外凸

側(cè)墻最常見的病害是開裂、外凸。在拱上填料的積水膨脹及汽車荷載作用下對側(cè)墻容易造成水平推力，進(jìn)而側(cè)墻向外傾斜和側(cè)移，橋面則產(chǎn)生塌陷或沉降[3]，最主要的原因是由于施工質(zhì)量不過關(guān)造成的砌筑材料整體性差和抗推穩(wěn)定性不夠。

2 主拱圈加固方法

目前國內(nèi)外對主拱圈的加固采用的方法有：增大截面加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、粘貼加固法。

2.1 增大截面法

增大截面法主要用于提高主拱圈的承載力，使之滿足正常的使用要求。這種方法適用于拱圈變形開裂、拱石脫落等病害。對于主拱圈的加固施工中可以選擇多種方法來實(shí)現(xiàn)截面增大的目的，其中以鋼筋混凝土材料套箍封閉主拱圈加固技術(shù)較為成熟，即沿主拱圈外環(huán)增設(shè)一層鋼筋混凝土套箍層，加固效果最為明顯來達(dá)到提高原拱橋承載力的目的[4]。

2.2 體外預(yù)應(yīng)力加固法

梁式橋梁中體外預(yù)應(yīng)力加固法最為常用，在拱橋主要適用于拱圈裂縫和拱頂產(chǎn)生向下的撓度的情況。用于拱橋體外預(yù)應(yīng)力加固一般是選擇鋼筋、鋼絞線或高強(qiáng)度鋼絲等材料，張拉預(yù)應(yīng)力后對拱橋產(chǎn)生的內(nèi)力效應(yīng)能夠抵消自重和外荷載的作用[5]，進(jìn)而提高主拱圈的承載能力。加固法可以根據(jù)預(yù)應(yīng)力張拉方向分為縱向、橫向張拉兩種：沿橋梁橫向張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋可以解決主拱圈縱向開裂的問題；沿橋梁縱向張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋可以解決主拱圈橫向開裂或橋臺位移、拱頂下?lián)系膯栴}。

2.3 粘貼加固技術(shù)

粘貼技術(shù)主要是選用抗拉強(qiáng)度較大的材料，其中包括鋼板、鋼筋、碳纖維，再利用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠等粘粘劑使之與原有舊主拱圈粘貼形成一個整體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高圬工拱橋主拱圈的抗彎拉和抗剪強(qiáng)度，改善橋梁的應(yīng)力分布狀態(tài)從而有效地抑制裂縫擴(kuò)散。

3 拱上建筑加固方法

對于石砌拱上建筑的加固方法，通常改建輕型拱上建筑法、側(cè)墻對拉鋼筋法、設(shè)置斜錨桿法或豎向錨桿法等。

3.1 改建輕型拱上建筑法

對于拱橋的石砌拱上建筑結(jié)構(gòu)部分，如果出現(xiàn)比較嚴(yán)重的病害缺陷，或者主拱圈的承載力降低，急需減輕拱上建筑的重量，可將其替換為低密度的鋼筋混凝土梁式結(jié)構(gòu)形式。則需要在主拱圈中植入立柱鋼筋，對主拱圈損傷較大，且造價較高。

3.2 側(cè)墻鋼筋對拉法

在拱橋兩側(cè)墻上鉆孔植入鋼筋，錨固并對稱張拉鋼筋，施加橫向預(yù)應(yīng)力。在不影響交通的情況下，鉆孔施加預(yù)應(yīng)力，能夠減少對橋梁結(jié)構(gòu)的擾動影響，加固時間短，但對于拱上建筑填料如果采用的是鵝卵石等大塊石料，在鉆孔過程中不利于很好地控制鉆頭位置，容易出現(xiàn)偏位。所以此種方法主要適用于便于鉆孔的窄橋。

3.3 設(shè)置斜錨桿或豎向錨桿

對于不利于鉆孔或者不利于控制鉆孔精度的寬橋可以采用打入斜錨桿的方法，在側(cè)墻上鉆孔打入一定深度的主拱圈，施加預(yù)應(yīng)力，對主拱圈的要求是有一定厚度，側(cè)墻的整體性較好，整個拱上建筑部分有較好的抗推剛度。

對于側(cè)墻位移量小病害發(fā)展穩(wěn)定的圬工拱橋，從拱底垂直于拱底徑向插入錨桿，可以起到約束側(cè)墻側(cè)向位移，從而增強(qiáng)側(cè)墻和主拱圈的承受荷載的承載。

4 結(jié)語

作為歷史代表性建筑結(jié)構(gòu)的圬工拱橋，大多數(shù)已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的病害，考慮到拆除重建工作費(fèi)事費(fèi)力，可以使用較為經(jīng)濟(jì)的加固技術(shù)。在進(jìn)行圬工拱橋加固之前，應(yīng)進(jìn)行全面的分析調(diào)查研究，針對不同的病害缺陷采用不同的加固方法，達(dá)到恢復(fù)乃至提高拱橋極限承載力的目的。

參考文獻(xiàn)：

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[2]潘正鵬.空腹式圬工拱橋病害分析及加固應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2017（03）：175-176.

[3]高瞻，王駟猛.淺談圬工拱橋的病害及養(yǎng)護(hù)維修[J].技術(shù)與市場，2012，19（01）：70.

[4]姜波.圬工拱橋病害機(jī)理及耐久性加固技術(shù)[J].交通建設(shè)與管理，2014（18）：149-151.

[5]吳毅翔.圬工拱橋主拱圈病害機(jī)理及加固方法[J].交通科技，2012

（02）：61-63.

作者簡介：儲兵（1965-），重慶酉陽人，理學(xué)學(xué)士，中級，主要研究方向：農(nóng)村公路建設(shè)。