石拱桥病害成因分析与加固措施研究
2015-07-29
1 引言
石拱桥由于其就地取材、施工简单、不需要大型设备等优点，在50年代~80年代被广泛推广使用。然而，随着我国经济建设的高速发展，重型车辆与日俱增，加之桥梁建设时设计荷载较小，导致现阶段多数石拱桥已无法满足正常使用要求，处于超负荷状态，因而出现病害情况较多，需要维修加固，提高其承载能力。本文将就石拱桥常见病害的成因与加固处理措施作一些浅要分析。
2 石拱桥常见病害及成因分析
2.1主拱圈裂缝
拱圈裂缝是石拱桥最常见的病害。主拱圈开裂严重影响桥梁的安全性，按照开裂方向可以分为主拱圈横向裂缝与纵向裂缝。
2.1.1主拱圈横向裂缝及成因分析
主拱圈横向裂缝多发生在拱顶下部或拱脚上部，其主要成因分析如下:
1)主拱圈截面太薄或石料强度不够。对石拱桥主拱圈进行内力分析可知，拱顶承受最大正弯矩，拱脚承受最大负弯矩，当截面抗力小于荷载内力时，拱顶下部或拱脚上部受拉部位开裂。
2)拱圈受力不对称。这种情况主要发生在坡桥或弯桥上。有些坡桥坡度较大，而主拱圈水平设置，造成拱圈受力不对称；车辆在弯桥上转弯时产生向心力，造成拱圈弯道外侧开裂。
3)基础均匀沉降，墩台移动。石拱桥多按无铰拱设计，为超静定结构。基础沉降或墩台位移将引起主拱圈巨大的附加应力，造成拱圈横向开裂，且多发生在L／4处。
4)设计时拱轴系数选择不当
5)施工质量差。如砂浆不饱满、砌筑工艺不规范等。
主拱圈横向裂缝对原结构的影响:如果主拱圈出现横向裂缝并发展到一定深度，开裂面的抗弯惯性矩将大大降低，相当于形成铰，改变原结构体系，内力随之发生变化，结构的稳定性降低。如果出现多条横向裂缝，形成三铰以上时，结构将变成可变体系，失稳破坏。
2.1.2主拱圈纵向裂缝及成因分析
主拱圈的纵向裂缝成因分析如下:
1)拱圈多采用分环砌筑，如在施工时，未注意环与环交错搭接，则会在拱腹发生纵向开裂;
2)基础非均匀沉降;
3)结构自身的受力特征影响，如弯桥受离心力作用;
4）局部温度应力。对于长期存在局部日照的拱桥，横向两侧存在较大温差，主拱圈或在日照区域边缘产生纵向裂缝。
主拱圈纵向裂缝对原结构的影响:结构自身横向整体性降低;裂缝两侧拱圈的受力变形不均匀，局部内力增大。由于裂缝使横向受力性能减弱，即使横向力不变，裂缝也将继续发展，继而导致拱桥承载能力的降低。
2.2腹拱圈裂缝
腹拱圈开裂现象严重且普遍，其主要成因分析如下:
1)铰缝处理不当。石砌腹拱圈的铰石应选择石质坚硬且无裂纹的石料，一对铰石的接触面较一般拱石应多加修凿以增大实际接触面积，如果施工中未达到要求，将导致铰石破坏而开裂;
2)拱与拱上建筑的联合作用显著;
3)腹拱的开裂造成桥面破坏，加上养护不到位，引起桥面渗水，又加剧了腹拱圈裂缝的开展。
2.3桥面破损
桥面破损影响行车舒适性和安全性、且可能加剧其他部位破损。其主要成因分析如下：
1)对实腹式拱桥来说，拱上填料多采用砂砾或碎石等柔性填料，柔性填料在车辆荷载作用下的不均匀压缩变形或台后排水处理不当，造成填料积水，填料强度降低，引起路面破坏。
2)空腹式拱桥由于腹拱铰的存在，为适应变形的需要，侧墙与桥面结构需相应设置伸缩缝或变形缝，这些部位往往是裂缝的起源。
2.4防水层破坏或失效
防水层破坏或失效，使拱圈漏水，影响结构安全，缩短了桥梁的使用寿命。其主要成因分析如下:
1)实腹式拱桥施工时常采用易找到的一般亚粘土作为防水层，防水效果不佳；桥面有渗水，防水层易软化而失效。
2)空腹式拱桥多采用沥青、油毛毡防水层，油毛毡容易老化，特别是变形缝处，难以保证沥青麻絮密实。
除此之外，石拱桥还有基础冲刷及基础沉降、滑移、开裂等很多病害。石拱桥的病害有的影响桥梁的安全，有的只是影响桥梁的使用性能。因此对石拱桥的病害进行详尽的调查分析，可根据危害程度的不同进行相应处理，对那些危及交通安全的病害要及时整治，必要时需对桥梁进行加固改造。
3 主拱圈常用加固措施
石拱桥加固措施很多，但归根结底，主要是增大拱圈截面、增强拱肋、拱波之间的联系、加强横向联系、减轻拱上建筑的重量等几种基本方法方法及其衍生。加固原理如下:
加固方法主要通过增大截面面积A、W减小截面应力或通过增大容许应力来提高桥梁的承载能力。
目前，常用的加固措施有锚喷混凝土加固、体外预应力加固及钢筋混凝土套箍加固。
3.1锚喷混凝土加固
锚喷混凝土加固是隧道施工中的“新奥法”在桥梁加固中的应用。其加固机理在于:利用锚入原主拱圈内的锚杆挂设钢筋网，再喷射加入适量速凝剂的混凝土至结构面层，形成复合主拱圈，与原主拱圈共同协调变形，分担部分活载，从而达到提高桥梁承载力的目的。
工艺流程：处理原有裂缝→设置砂浆锚固→主拱圈凿毛、冲洗→挂设钢筋网→喷射混凝土→养生。
施工要点:每次喷护厚度不宜超过5~8cm。若需加厚，需反复多喷几次。
3.2碳纤维粘贴加固
体外预应力加固是以钢绞线或高强钢丝等钢材作为施力工具，对桥梁结构施加预应力，以预应力产生的弯矩和拉力部分抵消外荷载长生的内力，从而达到改善旧桥使用性能并提高其承载能力的目的，具有加固、卸载和改变结构或构件内力分布三重效果。
（1）工艺流程：安装锚固板→安装箍圈或定位梢→布设钢丝束→张拉→进行必要的防护处理。
（2)施工要点:需重视钢材防锈处理。
3.3钢筋混凝土套箍加固
钢筋混凝土套箍主拱圈加固的主要机理在于:增大原主拱圈的截面尺寸和刚度;新增设钢筋混凝土层与原主拱圈共同作用,分担了桥梁活载;钢筋混凝土套箍环状封闭原主拱圈，使结构三向受压，提高结构抗压强度，同时增强桥梁防水蚀、抗风化能力。
（1）工艺流程：处理原有裂缝→设置砂浆锚固→主拱圈凿毛、冲洗→挂设纵、环钢筋网格→现浇拱腹、侧面、拱背混凝土→养生。
（2）施工要点:①纵向钢筋在拱脚区段予以加密;②套箍封闭层采用移动架模现浇施工；③先浇拱腹面及拱圈两侧面,再浇拱背;从拱脚往拱顶方向两岸对称施工。
4 小结
桥梁加固是一项重要的桥梁研究课题。在我国,由于旧桥设计标准偏低,现有交通量高速增长的形势,决定了我国有相当一部分桥梁急待加固的客观现实。针对既有桥梁的损伤、缺陷及使用情况，掌握石拱桥病害形成的原因，并对症下药，制定合理的桥梁加固维修方案来提高桥梁的耐久性、安全性及使用性，具有重要意义。
