拱式橋梁加固技術(shù)與應(yīng)用要點

底曉惠

（石家莊市公路橋梁建設(shè)集團有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

不同類型的橋梁病害種類對橋梁形態(tài)造成的影響均不相同。為保證拱橋加固效果和經(jīng)濟性，要結(jié)合橋梁病害類型及嚴重程度，采用相應(yīng)的加固技術(shù)。

1 拱式橋梁加固

拱式橋梁經(jīng)過一段時間的通車使用，難免出現(xiàn)病害。為避免病害不斷加重威脅通行安全，要根據(jù)橋梁實際情況，結(jié)合現(xiàn)有條件采用合理可行的加固技術(shù)進行處理。目前，在拱式橋梁加固領(lǐng)域，出現(xiàn)了很多不同的加固技術(shù)，現(xiàn)階段較為常用的包括錨噴加固、FRP片材加固、套箍封閉加固、頂推法加固、體外索預(yù)應(yīng)力加固。不同加固技術(shù)的原理和特點均不相同，適用條件也有一定差異。因此，在實際工作中需要通過綜合考慮選擇適宜的加固技術(shù)，以此保證加固效果。

2 加固技術(shù)與應(yīng)用

2.1 錨噴加固技術(shù)與應(yīng)用

錨噴加固技術(shù)的加固原理為：充分利用錨固到原拱圈中的錨桿掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，然后噴入添加了一定量速凝劑等外加劑的混凝土，直到結(jié)構(gòu)面層，以此形成一個復(fù)合式的主拱圈。此時，復(fù)合式拱圈將和原主拱圈一同受力與協(xié)調(diào)變形，最終起到增強橋梁自身承載力的作用。由此可見，該加固技術(shù)的核心在于增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面積。如果拱橋的主拱圈截面較小，或橋梁施工質(zhì)量差、墩臺地基產(chǎn)生較大沉降、橋梁因超載運營等因素產(chǎn)生裂縫與變形，都可以采用該方法進行加固[1]。

某橋梁上部結(jié)構(gòu)采用雙曲拱，下部結(jié)構(gòu)采用U形橋臺與重力式橋墩。伴隨運營年限不斷增加，該拱橋很多地方都產(chǎn)生了裂縫，裂縫的縫寬最大可以達到4mm。此外，拱軸線下沉情況比較嚴重，拱頂部位下沉數(shù)量可達5～18cm。通過綜合分析，該拱橋存在主拱圈受力相對較大和裂縫數(shù)量較多的缺陷。對此，決定在拱肋和拱波處外包鋼筋，同時噴射一層厚度為6cm強度等級為C25的混凝土，以此對拱圈截面進行加固，增強各孔剛度與承載力。在加固完成后，通過荷載試驗可知橋梁結(jié)構(gòu)可以達到使用標準。本次加固花費了246萬余元，不足重建所需花費的20%，表現(xiàn)出優(yōu)異的經(jīng)濟效益。

2.2 FRP片材加固技術(shù)與應(yīng)用

該方法和粘貼鋼板法的原理完全相同，都是通過在結(jié)構(gòu)薄弱部位增強材料的粘貼形成整體，代替補強鋼筋增強結(jié)構(gòu)承載力，實現(xiàn)預(yù)期的補強目標。目前，該方法主要使用以下三種片材：一是玻璃鋼；二是碳纖維布；三是芳綸纖維布。其中，碳纖維材料是現(xiàn)在公認的有很大抗拉強度與彈性模量的工程材料，其與樹脂結(jié)合而成的材料不僅重量輕，而且施工方便，基本不需要使用大型機具，對加固維修施工而言，能有效發(fā)揮其強度極高的特點，增強結(jié)構(gòu)自身承載能力，而且還不會像粘貼鋼板那樣改變橋梁恒載。采用該方法對不同類型的拱橋進行加固時，需要以拱橋存在的缺陷與病害為依據(jù)，先確定需進行加固維修的位置，然后制定專項加固方案[2]。

某橋梁上部結(jié)構(gòu)采用單孔雙曲拱，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基。在通車一段時間后，在拱肋處發(fā)現(xiàn)裂縫，且伴有拱軸變形的現(xiàn)象。裂縫主要集中于L/4截面，尤其是拱頂周圍的裂縫分布較為密集。此外，在拱腳截面與腹拱和拱波結(jié)合部位也發(fā)現(xiàn)若干裂縫。拱頂?shù)南鲁亮吭?5cm左右，在其他點位也發(fā)生了沉降，但沉降相對均勻，曲線平順。在臺身上雖然沒有發(fā)現(xiàn)裂縫，但兩臺拱背存在約2.7cm的標高差。通過綜合分析，導致上述病害的原因為橋臺與樁基缺乏抗力，使橋臺向岸邊方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，引起拱軸變形，并在拱頂處產(chǎn)生很大的正彎矩，而拱腳處則產(chǎn)生很大的負彎矩，最終導致裂縫。對此，決定采用以下方法進行加固處理：對所有裂縫均使用灌縫的方法進行修補，灌縫材料選擇環(huán)氧樹脂砂漿；對6#肋，使用粘貼玻璃鋼的方式補強；對1#～5#肋，使用粘貼小鋼筋的方式補強加強。在加固完成后，又經(jīng)過一段時間的使用，拱肋裂縫明顯減少，且拱軸處沒有產(chǎn)生新變形，說明以上加固方法合理可行，效果顯著[3]。

2.3 套箍封閉加固技術(shù)與應(yīng)用

該技術(shù)的加固原理為：在合理可行的保障措施基礎(chǔ)上，于原主拱圈的外側(cè)使用鋼筋混凝土進行封閉，然后充分利用形成的套箍和原主拱圈實現(xiàn)共同受力與協(xié)調(diào)變形，以此增強橋梁自身承載力，避免水蝕與風化?？梢姡摲椒ǖ募庸淘砗湾^噴相似，但在以下方面存在顯著優(yōu)勢：一是由于結(jié)構(gòu)受三向壓力作用后抗壓強度將得到一定程度的提高，所以通過套箍封閉的方式對橋梁加固后，可達到的加固效果優(yōu)于錨噴法。二是套箍層可通過現(xiàn)澆完成施工，在此情況下可使用強度較高的混凝土，進而解決由于混凝土強度不足帶來的問題。三是采用錨噴的方法或粘貼碳纖維材料的方法進行加固后，新增的恒載大多由原主拱圈承受，而該方法的應(yīng)用能使原本的由支架承擔大部分恒載更改為由復(fù)合式主拱圈結(jié)構(gòu)來承擔[4]。

某橋梁為四跨石拱橋，從開始通車后，接連遭受多次洪水沖擊與侵蝕，加之受到地震作用和石料自身發(fā)生風化剝蝕，導致承載力大幅減弱。據(jù)初步調(diào)查，該橋中孔處有很多病害，如砂漿脫落、局部變形和拱石開裂，其中以開裂病害最為嚴重，縫長最長可以達到80cm，縫寬最大可以達到7mm。對此，經(jīng)研究決定采用以下三種方法對該橋梁進行加固：

方法一：先對原主拱圈進行高壓灌漿處理；

方法二：在完成高壓灌漿處理后的主拱圈外部進行套箍封閉；

方案三：增設(shè)橫墻底座。采用上述三種方法完成加固處理后，該橋?qū)嶋H運行狀態(tài)可以達到相關(guān)要求。

2.4 頂推法加固技術(shù)與應(yīng)用

根據(jù)拱橋相關(guān)理論，如果拱腳產(chǎn)生相對變位，則會使主拱圈中產(chǎn)生一定附加內(nèi)力。通過使拱腳產(chǎn)生靠近變位能夠降低已經(jīng)在拱圈內(nèi)存在的內(nèi)力與變位，并使拱肋上產(chǎn)生的沿徑向分布的裂縫不斷閉合，此外還能抬高拱頂?shù)膶嶋H標高，將橋面上的縱坡理順，最終達到恢復(fù)或增強橋梁自身承載力的作用。該加固方法與其他方法相比有更好的經(jīng)濟性，能在基本不改變外貌和不影響通航凈空的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)預(yù)期的加固目標。

某鋼架拱橋橋臺采用山形空心臺，基礎(chǔ)采用沉井基礎(chǔ)，以中密亞黏土與亞砂土作為工程地基。通車一段時候后，由于處在橋臺后方的壓力涵滲漏，導致路基被沖刷，引起橋臺缺角，之后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)拱頂下緣產(chǎn)生裂縫，且裂縫數(shù)量不斷增多，直到貫通整個拱肋，同時向橋面方向延伸。裂縫的最大寬度可達6mm，橋臺處的下沉量為1cm，初步估計發(fā)生了5.9cm左右的水平方向位移?？紤]目前該橋的裂縫發(fā)展速度已經(jīng)開始變慢，且橋臺產(chǎn)生的位移也逐漸趨于穩(wěn)定，加之主拱中除了拱頂外其他部分均相對完好，整個橋梁的剛度尚可。因此，最終決定采用頂推法對拱腳位移進行適當調(diào)整。完成頂推后，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)拱頂下沉量為1cm，橋臺產(chǎn)生的相對位移不超過1mm。此外，對現(xiàn)有的裂縫進行修補后，沒有再次開裂。

2.5 體外索預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)與應(yīng)用

該技術(shù)是指在主梁中設(shè)置預(yù)先導入一定拉力的鋼索，以此為主梁施加預(yù)應(yīng)力，使截面中應(yīng)力實際分布情況得以有效改善。如今，該技術(shù)主要在梁式橋中使用，但對拱圈產(chǎn)生裂縫后橋臺產(chǎn)生位移等現(xiàn)象的拱橋，也可采用該技術(shù)進行加固處理。利用鋼拉桿進行加固后，會使橋下凈空減小，對通航造成一定程度的影響，所以該方法只能用于處在對通航條件沒有太高要求的橋梁。

某單孔石拱橋的施工質(zhì)量較差，在通車后不久，拱圈開始產(chǎn)生縱向裂縫，并不斷向外發(fā)展和移動，裂縫開始向橋臺位置延伸，甚至到達基底處附近，拱頂處產(chǎn)生的裂縫寬度達50mm。通過綜合研究后，決定采用鋼拉桿進行加固，在橋跨上均勻布置預(yù)先做好螺紋的鋼拉桿，共9組，所有拉桿都采用上下兩筋構(gòu)成。采用一根沿垂直方向放置的10號槽鋼作為螺帽襯墊，同時兼做兩根桿之間的連接桿。將上桿安置到位后，開始安裝槽鋼，將槽鋼安裝好后方可安裝下桿，再用扳手將所有螺帽擰緊，以此為拱圈及側(cè)墻施加足夠的預(yù)應(yīng)力，以有效控制裂縫的產(chǎn)生及其發(fā)展。經(jīng)以上加固處理后，該橋梁恢復(fù)正常通車，舊裂縫修補完成后沒有產(chǎn)生任何新裂縫。

3 結(jié)語

綜上所述，在編制加固方案時，要高度重視以下方面：首先要做好對橋梁實際狀況的評價，確定橋梁在各類環(huán)境下使用表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)特性，并對結(jié)構(gòu)中存在的損傷進行類型識別和確定位置，以此為加固決策與各類維修加固資源的現(xiàn)場配置奠定良好基礎(chǔ)；其次，由于橋梁維修加固的方法很多，因此，為保證所選方法的合理性與可行性，要對不同方法的特點及優(yōu)缺點進行綜合對比，從包含技術(shù)、經(jīng)濟、耐久和美觀等在內(nèi)的多個方面入手考慮，選擇適宜的加固方法。在必要的情況下，還可以通過仿真來確定最佳的加固方法；再次，對處在城區(qū)范圍內(nèi)的橋梁，需要在選擇具體加固方法的過程中充分考慮加固施工可能對正常交通通行造成的影響，盡量選擇影響程度較低的方法；最后，在條件允許的情況下，優(yōu)先考慮粘貼碳纖維布的方法進行加固。