拱橋病害分析及增大截面法加固處治探析

中圖分類號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）08-0146-03

0 引言

拱橋跨越能力大，受力明確，外形美觀，被廣泛應(yīng)用在我國公路橋梁中。但建設(shè)年代較早的拱橋因設(shè)計(jì)及施工等方面的原因，建造等級(jí)普遍不高，再加上長期的荷載作用，病害問題較為突出。為避免造成交通中斷等不利影響，在無法對(duì)原橋進(jìn)行拆除重建的情況下，只能采取切實(shí)適用的技術(shù)進(jìn)行加固處治，在一定程度上恢復(fù)結(jié)構(gòu)承載力和性能?；诖吮尘?，該文依托公路橋梁實(shí)際，對(duì)病害現(xiàn)狀及成因展開分析，并對(duì)增大截面法加固施工進(jìn)行探究，以期為此類橋型病害處治提供借鑒參考。

1 工程概況

某跨河橋梁全長 2 4 5 m ，橋墩高度在 4 4 . 5 ～ 5 0 . 0 m 之間，主橋?yàn)榭鐝?1 2 0 m 的上承式空腹拱橋，拱肋采用鋼混結(jié)構(gòu)，拱腹及側(cè)墻全部為砌筑結(jié)構(gòu)，橋面鋪裝水泥混凝土。橫跨大深度河谷。該橋梁建造于20世紀(jì)80年代，并于1998年改建。在運(yùn)行過程中因交通荷載和外界環(huán)境的綜合作用，側(cè)拱肋、拱腳、墩柱、拱腹等部位先后出現(xiàn)貫穿性裂縫，混凝土層開裂、剝落，內(nèi)部鋼筋銹蝕外露。對(duì)橋梁展開荷載試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，結(jié)果顯示，橋梁病害嚴(yán)重，綜合評(píng)定等級(jí)為D級(jí)，亟待大修處治。

2病害調(diào)查及原因分析

2.1病害調(diào)查

（1）混凝土開裂。第一跨主拱中上游側(cè)拱肋下緣貫穿性裂縫長度在 7 . 5 ～ 9 . 0 m 之間；第二跨上游側(cè)拱肋1/4跨處裂縫長度在 0 . 9 ～ 1 . 2 m ，寬度在 0 . 1 5 ～ 0 . 1 8 m m 之間，貫穿至拱肋側(cè)后長變?yōu)?0 . 5 4 ～ 0 . 6 5 m ，寬變?yōu)? . 1 1 ～ 0 . 1 4 m m 。拱腳處縱向裂縫長和寬最大達(dá)到 6 . 1 m 和 0 . 4 5 m m 。第三跨拱腳偏1/4跨間拱背多處開裂，鈣化物析出，裂縫寬度無法準(zhǔn)確量測(cè)。橋墩墩身側(cè)壁裂縫數(shù)量多，且偏橋軸向開裂。

（2）混凝土脫落、鋼筋銹蝕。以上裂縫中約一半裂縫處混凝土剝落破損，內(nèi)部鋼筋外露銹蝕；部分位置內(nèi)部鋼筋雖未外露，但變形嚴(yán)重，將混凝土結(jié)構(gòu)頂起外鼓。

（3）砌體斷裂及滲水。第一跨1#和2#腹拱間橫墻條石開裂，裂縫長度達(dá)到 0 . 3 1 m ，寬度為 0 . 1 6 m m ；2#和3#腹拱間橫墻連接主拱處砌石脫落，4#腹拱連接橫墻段持續(xù)滲水。第二跨8#腹拱實(shí)腹段砌體脫落，10#腹拱小里程側(cè)條石破斷，拱圈處鈣化物析出，結(jié)構(gòu)風(fēng)化嚴(yán)重。

2.2 病害原因分析

造成該拱橋病害的原因包括以下幾點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)尺寸單薄。對(duì)于同跨徑、同荷載等級(jí)的拱橋而言，主拱圈厚度應(yīng)達(dá)到 1 2 0 c m 以上，拱橫墻厚度應(yīng)達(dá)到 以上[，但該拱橋拱波厚度僅為 ，包括 厚的石砌拱波和 厚的鋼混拱波，橫墻厚度僅為 6 0 c m ，主拱圈剛度明顯不足，長期受到荷載作用后抗變形性能必將下降。（2）橫隔板尺寸小。橫隔板是連接拱肋和拱波的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)，該拱橋橫隔板厚度僅為 ，難以長期承受拱波自重、行車荷載等造成的水平推力。在運(yùn)行期間，橫隔板開裂不可避免。（3）拱上橫墻尺寸小。因主拱截面尺寸薄弱，為控制主拱應(yīng)力，將拱上橫墻的尺寸相應(yīng)減小。橫墻抗推剛度也因此降低，在主拱變形后發(fā)生協(xié)同變形和徑向開裂。（4）拱波的作用。對(duì)于該雙肋單波拱橋，鋼混結(jié)構(gòu)拱肋與拱波共同參與結(jié)構(gòu)受力，并將結(jié)構(gòu)自重與行車荷載傳遞至墩臺(tái)結(jié)構(gòu)。但實(shí)際受力時(shí)因拱波的作用，結(jié)構(gòu)受力先傳遞至鋼混拱肋，再傳遞至墩臺(tái)。故鋼混拱肋支撐處的拱波便產(chǎn)生外向水平推力[2]。

3加固方案設(shè)計(jì)及受力分析

3.1 加固方案設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)橋梁病害嚴(yán)重程度及形成原因的分析，將加固處治分為耐久性處治和主體結(jié)構(gòu)加固處治兩部分，前者為輔，后者為主。耐久性處治包括缺陷修補(bǔ)和裂縫封閉；缺陷修補(bǔ)及裂縫封閉施工完成后，按照《公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/TJ23—2008）展開質(zhì)量檢測(cè)，確保達(dá)標(biāo)。

主體結(jié)構(gòu)加固處治主要指對(duì)主跨拱肋進(jìn)行增大截面法加固處治，即通過混凝土結(jié)構(gòu)截面積的增大，以提升原構(gòu)件剛度和承載力[3]。增大截面法是主拱圈常用的加固技術(shù)，也是該文重點(diǎn)研究的加固方法。根據(jù)主拱圈加固部位的不同，將增大截面法進(jìn)一步分成拱腹加固和拱背加固。按照以上措施加固后擬將橋梁荷載等級(jí)提升至公路－Ⅱ級(jí)。

3.2加固后結(jié)構(gòu)受力分析

3.2.1 模型構(gòu)建

應(yīng)用MIDASCivil2020程序進(jìn)行拱橋有限元模型構(gòu)建，主跨拱肋模型建立全部結(jié)合橋梁拱軸線擬合結(jié)果展開。拱橋空間模型見圖1。

3.2.2 結(jié)構(gòu)受力分析

（1）主拱肋內(nèi)力。該拱橋應(yīng)用增大截面法加固拱腹和拱背前后邊跨拱肋控制截面內(nèi)力模擬結(jié)果見表1和表2。表中正數(shù)表示受拉，負(fù)數(shù)表示受壓。通過將模擬值與加固前實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較看出，對(duì)拱橋進(jìn)行增大截面加固后，邊跨拱肋控制截面剪力和彎矩方向未變，取值均明顯減小，原橋受力得到較好改善，加固后結(jié)構(gòu)承載力及穩(wěn)定性均提高。

（2）邊跨及中跨拱肋控制截面內(nèi)力。各荷載工況下，按照最大截面法加固前后邊跨及中跨拱肋控制截面內(nèi)力模擬結(jié)果見表3和表4。加固前，在正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)下邊跨拱腳、1/4跨及1/2跨截面剪力和彎矩值較高，強(qiáng)度均較低。根據(jù)表中結(jié)果看出，加固后以上截面在公路－Ⅱ級(jí)荷載等級(jí)下截面剪力和彎矩值降低，強(qiáng)度和承載力均提高，且滿足規(guī)范要求。

4增大截面法加固施工工藝

4.1混凝土材料選用

普通混凝土硬化收縮明顯，為減緩硬化收縮程度，保證錨噴混凝土和原橋混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，該拱橋增大截面加固時(shí)主要使用UEA補(bǔ)償收縮混凝土。此類混凝土自由膨脹率在 0 . 0 4 % ～ 0 . 0 6 % 之間，受到鋼筋約束后的膨脹率調(diào)整為 0 . 0 2 % ～ 0 . 0 4 % ；能夠在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中形成 0 . 2 ～ 0 . 7 M P a 的預(yù)壓應(yīng)力，從而抵消混凝土固化期間全部或部分拉應(yīng)力[4，延緩混凝土固化時(shí)間，增強(qiáng)其抗拉強(qiáng)度，抑制裂縫產(chǎn)生。

4.2 加固施工要點(diǎn)

4.2.1 耐久性處治

（1）缺陷修補(bǔ)。對(duì)主拱圈拱背、拱肋、系梁等處的混凝土層剝落、筋材銹蝕及外露等進(jìn)行處理。將全橋混凝土橋面更換為瀝青混凝土橋面，并更換重設(shè)排水系統(tǒng)。對(duì)橋涵與路基連接處的錐形護(hù)坡脫空區(qū)進(jìn)行回填、碾壓和增強(qiáng)。

（2）裂縫封閉。對(duì)橋臺(tái)、拱圈、墩柱、腹板、梁體底面等處出現(xiàn)的寬度在 0 . 1 5 m m 以下的裂縫，直接涂抹封閉處理。在涂抹處理前，必須通過砂輪機(jī)、鋼絲刷等工具將待處治表面塵土、污漬、松散結(jié)構(gòu)等徹底清除，確保露出堅(jiān)實(shí)的混凝土面；再利用毛刷蘸取酒精、丙酮或甲苯等溶液反復(fù)擦拭裂縫邊緣 3 . 0 ～ 5 . 0 c m 范圍。根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T522—2008），采用環(huán)氧樹脂封縫材料，通過膠輥或毛刷將封縫材料涂刷于清潔后的裂縫表面。第一遍涂刷時(shí)應(yīng)順著裂縫走向橫向涂刷，待干燥成膜后再次縱向涂刷；最后涂刷一層與混凝土顏色接近的封縫材料。

對(duì)于寬度在 0 . 1 5 m m 以上的裂縫，應(yīng)展開低壓灌縫處理。通過角磨機(jī)將待處治裂縫表面打磨平整，切除裂縫表面松散雜物；使用壓力在 0 . 2 M P a 以上的壓縮空氣將裂縫底部及側(cè)壁處塵土、附著物、石渣等全部吹除。順著縫隙走向用丙酮溶液反復(fù)刷洗裂縫外邊緣。在相應(yīng)位置布設(shè)灌膠嘴并標(biāo)記。將調(diào)制好的黏結(jié)膠均勻涂抹于灌膠底座底面，用力下壓使底座底部膠體溢出并包裹住底座邊緣。為防止裂縫相互貫通而跑氣，必須進(jìn)行封縫處理；此后通過低壓容器進(jìn)行裂縫修補(bǔ)膠灌注。灌縫結(jié)束后養(yǎng)護(hù) 2 4 h ，確保樹脂固化后在表面涂刷一層與混凝土顏色接近的封縫材料。

4.2.2主體結(jié)構(gòu)增大截面法加固處治

對(duì)于該拱橋拱腹和拱背均采用噴錨混凝土加固工藝，即在拱腹下部緊貼原拱圈底面噴射混凝土或澆筑混凝土復(fù)合拱圈[5]。對(duì)待加固部位進(jìn)行植筋并掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，按照設(shè)計(jì)要求和厚度通過噴射機(jī)械并利用壓縮空氣，通過管道將混凝土噴射至待補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)面，待混凝土硬化為固結(jié)結(jié)構(gòu)。硬化后的錨噴結(jié)構(gòu)層和原結(jié)構(gòu)較好黏結(jié)，在充分利用原結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，有效阻正了原結(jié)構(gòu)開裂和變形。

錨噴混凝土無需振搗，主要借助高速噴射的壓力和勢(shì)能使水泥和集料反復(fù)撞擊，達(dá)到壓密效果。為增強(qiáng)水泥、集料間的黏結(jié)強(qiáng)度，保證新舊結(jié)合面拉應(yīng)力和剪應(yīng)力較好傳遞，錨噴后應(yīng)及時(shí)養(yǎng)生，以減小混凝土噴射期間產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，減弱因混凝土收縮而造成的開裂。

5結(jié)論

綜上所述，對(duì)于病害橋梁而言，在進(jìn)行加固方案擬定和加固處治施工前，必須對(duì)橋梁病害展開全面調(diào)查和成因分析；對(duì)現(xiàn)有橋梁加固技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性總結(jié)，優(yōu)選出適用的加固技術(shù)，并應(yīng)用仿真分析技術(shù)對(duì)加固效果進(jìn)行模擬。該文所研究的拱橋結(jié)構(gòu)尺寸單薄，拱波混凝土強(qiáng)度低，跨中接近拱肋處混凝土開裂剝落，拱石嚴(yán)重風(fēng)化；拱肋、拱墻、腹拱圈及橫隔板均存在嚴(yán)重裂縫。應(yīng)用增大截面法加固后以上病害基本根除，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、承載力均顯著提高，橋梁結(jié)構(gòu)性能較好恢復(fù)。

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