體內隱形錨桿加固技術在某歷史文物橋梁修繕中的應用

汪方勇，吳 真

(江蘇筑镹營造科技有限公司，江蘇 南京 210019)

1 工程概況

某歷史文物橋為單孔石拱平橋，建于清朝同治年間，為文物保護建筑，曾作為當地礦山材料運輸的重要通道。該橋全長15.60m，跨徑9.81m，橋寬4.66m，總高約11m。上部結構采用實腹式圬工拱形式，主拱圈頂部為尖拱，主拱圈厚0.36m，矢高3.81m，矢跨比1/0.39，主拱圈、山花墻、欄桿等均采用條石砌筑。下部結構一側(0號墩)采用重力式橋臺，條石砌筑，0號墩基礎局部砌筑在3塊不規(guī)則、不平整的天然巖石上；另一側(1號墩)坐落在整塊天然基巖上(見圖1)。

圖1 橋梁示意

橋身采用的砌石紅砂巖條石尺寸為1.05m×0.32m×0.35m(長×寬×高)，砌筑黏結材料為糯米灰漿。砌石材料重度按23kN/m3計，天然狀態(tài)下的抗壓強度實測值為23.13MPa。主拱圈和拱墩內部為碎石及灰土混合填料，材料重度按19kN/m3計。

2 結構病害情況

結構病害情況如圖2所示。主拱圈存在輕微變形現象，0號墩側拱底有4處存在縱向裂縫，伴有少量砌塊開裂情況，最大裂縫長度約1.2m，最大裂縫寬度約1.5cm。主拱圈兩側距跨中1/2處的砌縫之間存在2處橫向貫穿變形裂縫，最大裂縫寬度約2.5cm。拱底裂縫處局部灰縫脫落，脫落處存在明顯滲水現象，并伴有晶體析出。山花墻存在局部擠壓鼓凸、石塊外移情況，主要發(fā)生在1號墩上游側，最大位移約20cm。在0號墩與主拱圈結合處上游側，條石表面存在擠壓開裂、局部剝落情況。0號墩存在2條明顯的豎向裂縫，最大裂縫長度為6.86m，最大裂縫寬度為3cm。0號墩基礎未砌筑在天然基巖上的部分存在明顯水流沖蝕現象，局部已形成空洞，但未發(fā)現基礎沉降、滑移等情況。經雷達探測，主拱圈上部、0號墩內部填料存在局部空洞現象。橋面存在明顯凹陷和坑槽現象，路面條石鋪裝多處已出現斷裂，并存在磨損坑洞。

圖2 結構病害情況

經過病害調查，根據JTG/T H21—2011《公路橋梁技術狀況評定標準》要求，按分層綜合評定法評定該橋已無法滿足使用要求。

3 病害原因分析

根據現場檢測結果，該橋未發(fā)現基礎沉降、滑移引起的明顯病害，且主拱圈無明顯變形現象。針對橋梁使用情況及所處地形、地貌，認為病害主要原因如下。

1)橋梁曾作為當地礦山運輸材料的重要通道，礦區(qū)運輸車輛多為重載車輛，結合橋體現有病害情況，可判定主拱圈開裂、山花墻鼓凸外移、橋墩開裂、橋面凹陷及路面條石斷裂均是由橋體長期受重載車輛碾壓導致。

2)0號墩基礎局部砌筑在3塊不規(guī)則、不平整的天然基巖上，橋墩受上部車輛荷載作用時，基巖處形成應力集中現象，局部受力不均勻，易導致橋墩處產生豎向裂縫。

3)主拱圈上部、0號墩條石砌筑側內部填料為碎石及雜土，因主拱圈底板及橋墩擋墻存在明顯縫隙，在雨水長期滲透、沖刷作用下，造成內部土體流失，形成局部空洞。

4)橋址處上下游地勢落差明顯，峽谷內存在大量巨型塊石。在雨季山洪暴發(fā)期間，水流沖蝕、塊石撞擊對0號墩及條石基礎造成損壞，對橋梁整體穩(wěn)定性造成影響。

4 橋梁加固條件與要求

1)根據橋梁所處地理位置及周邊環(huán)境情況，0號墩側已新建市政公路，因此橋梁加固后無須考慮公路運輸功能，僅需滿足行人通行需要。

2)該橋整體面貌保存較好，主拱圈、山花墻、橋墩整體較完整，根據文物建筑保護要求，為遵循最小干預的保護原則，對主拱圈、橋墩等保存較好的重要受力構件不進行拆砌，僅對山花墻局部鼓凸部位進行拆砌修復。

3)對主拱圈橫、縱向裂縫及0號墩豎向裂縫進行加固處理，以提高橋梁砌體構件承載力，增強橋梁整體穩(wěn)定性。

4)0號墩基礎部位易受撞擊及水流沖蝕，需提高該部位抗水平沖擊力。

5)主拱圈上部及0號墩內側填料存在空洞，需對空洞進行填實加固處理，以增強橋梁整體承載力。

6)針對橋梁內部填料土體流失情況，對橋面進行防水及散水處理，并對條石砌筑的主拱圈、山花墻、橋墩、基礎等部位砌縫和變形裂縫填充灌縫漿料。

5 加固關鍵技術

該橋作為文物保護建筑，對其進行修繕加固時需正確處理歷史建筑保護與合理利用的關系，應遵循真實性、整體性、延續(xù)性和最小干預性原則，使橋梁不僅能繼續(xù)發(fā)揮交通運輸功能，又能充分展示歷史文化屬性。

根據橋梁現狀、病害情況、保護要求，主拱圈、0號墩及0號墩側基礎進行的原狀保護是加固工程重難點。為不影響橋梁整體外觀，采用體內隱形錨桿加固技術。體內隱形錨桿由不銹鋼桿件(強度高、耐腐蝕)及包裹著無機質水泥基漿料(易于流動，強度適中，無收縮)的襯套組成。不銹鋼桿件起抗拉、抗剪作用，無機質水泥基漿料起鎖鍵咬合、提升錨桿整體抗拉強度的作用，襯套具有約束漿料的作用。

5.1 主拱圈加固

對于主拱圈縱向裂縫，采用橫向水平錨桿進行加固補強(見圖3)，將錨桿垂直于山花墻、橫向貫穿主拱圈腹板布置，錨桿采用φ20mm不銹鋼桿件，鉆孔孔徑為52mm。通過水平錨桿對主拱圈縱向裂縫進行錨固，從而增強主拱圈整體性和承載力。對于主拱圈兩側距跨中1/2處的橫向裂縫，采用斜向穿過主拱圈腹板的錨桿進行加固(見圖3)，錨桿采用φ24mm不銹鋼桿件，鉆孔孔徑為65mm。錨桿在主拱圈內形成八字形承載受力體系，且錨桿下端植入拱墩內側基巖，形成可靠傳力路徑，以有效將上部荷載傳至基巖。斜向錨桿須有效穿過橫向裂縫，以對裂縫進行有效處理。

圖3 主拱圈錨桿布置

5.2 0號墩與基礎加固

0號墩基礎處3塊不規(guī)則、不平整天然基巖導致橋墩擋墻受力不均，進而使擋墻豎向開裂。為解決該問題，通過豎向錨桿將主拱圈上部荷載直接傳至天然基巖，以減小上部荷載對橋墩擋墻的影響，如圖4所示。錨桿采用φ24mm不銹鋼桿件，鉆孔孔徑為65mm。為提高基礎抗水流沖擊(表面沖刷)、塊石撞擊能力，并保證基礎整體穩(wěn)定，在基礎內部布置豎向錨桿，并在基礎表面砌筑鋼筋網片混凝土擋墻，如圖4所示。

圖4 橋墩及擋墻錨桿布置

5.3 內部空洞及表面裂縫處理

針對主拱圈上部填料局部空洞，在橋面石拆砌過程中，通過填料重新填實。

根據0號墩原狀保護需要，該墩不能拆砌，其內側填料空洞采用高壓注漿的方式進行填實，施工完成后使用探測雷達檢查注入漿料密實度。

檢測結果表明橋梁砌筑漿料為糯米灰漿，根據現有材料工藝，糯米灰漿已無法生產，因此采用常用的水硬性石灰漿料對橋面裂縫進行嵌縫、填實。

6 結構計算

6.1 模型建立

根據現場勘察資料建立有限元模型，模型總長15.6m ，總寬4.7m，總高7.5m ，橋跨10.2m，如圖5所示。錨桿采用beam單元模擬，采用八節(jié)點六面體單元進行網格劃分，共劃分27 715個單元、32 462個節(jié)點。參考CJJ 11—2011(2019年版)《城市橋梁設計規(guī)范》及JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》中關于車輛荷載的規(guī)定，運輸車輛荷載作用區(qū)域按長4.5m、寬2.0m計，荷載按20.5kN/m2計。

圖5 有限元模型

6.2 結果分析

共考慮6種工況，分別為加固前后車輛荷載作用于橋面1號墩側、拱頂、0號墩側。以車輛荷載作用于拱頂為例，加固前后橋梁豎向位移與最大主應力分別如圖6，7所示。

圖6 橋梁豎向位移云圖(單位：m)

圖7 橋梁最大主應力云圖(單位：N·m-2)

由圖6，7可知，采用體內隱形錨桿加固技術后，在相同車輛荷載作用下，橋梁豎向位移明顯減小，最大主應力有效傳至基巖，滿足承載及加固要求。

7 結語

對體內隱形錨桿加固技術在文物保護橋梁修繕中的應用進行了研究，通過采用體內隱形錨桿加固技術，有效防止橋梁橫、縱向裂縫繼續(xù)發(fā)育，提高了原結構承載力，增強了橋體長期穩(wěn)定性，滿足了行人通行要求，且完全保留了原始建筑風貌，可進一步將本技術應用于城墻門洞、窯洞等拱形建筑修繕加固中。