前言
拱結(jié)構(gòu)因其主要承受壓力，能使材料強度得到充分發(fā)揮，因而可以利用抗拉性能差而抗壓性能較好的圬工材料來建造拱橋。拱橋因以其具有就地取材、節(jié)省鋼材和水泥、構(gòu)造簡單、利于普及、承載潛力大、養(yǎng)護費用少等優(yōu)點，而成為我國西部地區(qū)公路的常用橋型。但是，在我國路網(wǎng)運營中的大量上世紀(jì)七、八十年代修建的拱橋，因為各種原因，該類橋梁均出現(xiàn)了不同程度的病害，事故拱橋（如下表1統(tǒng)計）及技術(shù)狀況等級為四、五類的拱橋數(shù)量則更多，其使用和運營狀況不容樂觀。
表1 近年來我國拱橋垮塌事故統(tǒng)計
注：以上數(shù)據(jù)不含5.12汶川地震損毀橋梁
可見，通過科學(xué)合理的措施，恢復(fù)或提高西部地區(qū)尤其是經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)數(shù)量眾多的拱橋的承載能力及通行能力，延長橋梁的使用壽命，滿足現(xiàn)代化交通運輸和西部大開發(fā)的需要，是非常迫切和具有重要現(xiàn)實意義的。
圖1 近年來我國部分拱橋垮塌事故圖片
實踐證明，針對病害橋梁，在橋梁運營管理中，實施詳實的橋梁檢測，認(rèn)真分析橋梁病害產(chǎn)生的原因，科學(xué)制定加固方案，并根據(jù)設(shè)計目的和材料特性采用合理的施工方案加以實施，能最終達到維修橋梁病害及避免安全事故發(fā)生的目的。
一、西部地區(qū)拱橋常見病害及原因分析
西部地區(qū)，高速公路路網(wǎng)密度較低，國省干線上的大量拱橋，承擔(dān)著繁重的運營壓力。因此在長期高負(fù)荷的運營過程中，由該類橋梁在多種環(huán)境因素、材料劣化、荷載（恒載或活載）變異等因素的反復(fù)作用下，不可避免的會產(chǎn)生各種各樣的病害，具體分析如下。
1.1、西部地區(qū)拱橋常見病害概述
調(diào)研歸納西部地區(qū)多座運營中的拱橋，其各種常見的結(jié)構(gòu)性病害主要表現(xiàn)為以下三類：
1、拱頂下沉、拱軸線變形、拱圈承載能力下降；
2、主拱圈開裂；
3、拱上建筑損壞。
1.2、常見病害產(chǎn)生的原因分析概述
引起拱橋各種病害的原因很多，本文針對西部環(huán)境及運營現(xiàn)狀，并匯總常見原因，主要有以下幾方面：
1、超限超載車輛長期作用于老舊拱橋；
2、拱腳或墩臺不均勻位移引起拱圈或橫向聯(lián)系破壞；
3、材料強度不足，引起拱肋或拱圈承載能力不足；
4、橫向聯(lián)系不足，引起拱橋失穩(wěn)；
5、沖刷造成拱橋基礎(chǔ)破壞；
6、風(fēng)化、有害氣體侵蝕等造成拱橋耐久性損傷；
7、橋面及拱上填料排水不暢造成拱上建筑損壞。
二、拱橋加固的常用方法探討
根據(jù)以上原因分析，結(jié)構(gòu)西部地區(qū)實際情況，通過在工程實踐中的總結(jié)，西部地區(qū)拱橋加固應(yīng)本著以下原則實施：
A、設(shè)計科學(xué)合理，經(jīng)濟環(huán)保；
B、盡量不增加結(jié)構(gòu)自重，不對拱圈等主要承重構(gòu)件造成損傷；
C、加固后橋梁能滿足運營荷載的使用要求，并有一定的安全儲備；
D、施工簡便、快捷，加固施工過程對交通影響減至最小；
E、加固后橋梁耐久性強、養(yǎng)護方便。
鑒于以上原則，當(dāng)拱橋承載能力、穩(wěn)定性、整體性、耐久性不足時，可選擇以下方式，對西部廣大國省干線上的在役拱橋進行加固。
2.1、增大拱圈截面加固
增大截面加固法是采用同種材料——鋼筋混凝土，來增大原混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積和配筋，以達到提高構(gòu)件的截面承載力、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性的目的，也可用來修補裂縫等。可適用于桁架拱、剛架拱以及雙曲拱橋的加固。在增大截面之前首先應(yīng)對原拱肋進行缺陷修補以及結(jié)合面鑿毛，露出粗骨料，然后在拱肋植入鋼筋，并架設(shè)縱橫向受力主筋，再澆筑外包混凝土并養(yǎng)生。
針對西部老舊的石拱橋，應(yīng)用較多的是鋼筋混凝土套箍封閉主拱圈技術(shù)對主拱圈進行加固，提高原橋的受力整體性和承載力，增強結(jié)構(gòu)的整體耐久性能。采用套拱加固法加固圬工拱橋，既可采用整體截面，也可采用肋式截面。其顯著的作用是有效地加厚了原拱圈截面和增強了原拱圈的橫向聯(lián)系，既增強了主拱圈的承載能力，又有效地封閉和處理了原主拱圈的縱、橫向裂縫等病害，同時也防止其進一步風(fēng)化。
針對圬工拱橋，還可采用錨噴混凝土加固拱圈。利用錨入原主拱圈內(nèi)的錨桿掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，再施噴加入適量速凝劑的混凝土至結(jié)構(gòu)面層，直至形成復(fù)合主拱圈，并與原主拱圈共同協(xié)調(diào)變形，分擔(dān)部分活載，從而達到提高橋梁承載力的目的。
2.2、粘貼高強材料加固
粘貼高強材料加固，主要指粘貼鋼板或粘貼纖維復(fù)合材料加固拱圈或拱上建筑。
粘貼鋼板主要采取在拱肋混凝土表面用錨栓和灌漿材料粘貼鋼板，用錨固螺桿將鋼板與主梁混凝土固定來達到局部加固的目的。粘貼鋼板加固技術(shù)具有施工控制性好，工藝成熟，材料易購，施工速度快等優(yōu)點，比較適合實際工程的應(yīng)用。
粘貼FRP片材法與鋼板粘貼加強法基本原理是一致的，均是將其增強材料粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的受拉緣或薄弱部位，使之與結(jié)構(gòu)形成整體，用以代替需增設(shè)的補強鋼筋，提高梁的承載能力，達到補強的目的。
2.3、外包鋼板內(nèi)注自密實混凝土加固
自密實混凝土即自流平混凝土，是在低水膠比下，能不經(jīng)振搗靠自身的重力作用自流平自密實并充滿模板和包裹鋼筋，在施工中對模板體系的強度和穩(wěn)定性提出了更高的高求，因此常與牢固性、密封性更好的鋼模板配合使用，形成“鋼板混凝土結(jié)構(gòu)”。其工藝在于：拱肋表面清理、鑿毛后在原結(jié)構(gòu)表面植筋并布置受力鋼筋，安裝鋼模板并焊接，后澆筑自密實混凝土。此種方法多用于T梁等梁肋補強加固，目前拱橋結(jié)構(gòu)也經(jīng)常采用這種方法。
2.4、增加橫向聯(lián)系加固
肋式拱橋或雙曲拱橋中橫系梁或橫隔板具有增強肋拱橫向整體穩(wěn)定行的作用，還可以起到橫向分布荷載的作用，要求具有足夠的剛度及強度。但是經(jīng)過長期的荷載反作用，往往橫向聯(lián)系構(gòu)造會先于主拱肋出現(xiàn)各類病害，尤其是早年修建的雙曲拱橋，其橫向聯(lián)系的剛度更加薄弱。此時即使主拱肋還未產(chǎn)生較為嚴(yán)重的病害，結(jié)構(gòu)也會因橫向整體性變差而造成整體承載能力的下降。因此必須采用有效措施對結(jié)構(gòu)的橫向聯(lián)系進行增加補強，以恢復(fù)結(jié)構(gòu)設(shè)計受力模式。一般采用增大原橫系梁或新增橫隔板兩種方式，該方法已成為該類橋梁補強加固的重要技術(shù)措施之一，可與其他加固方式共同實施。
橫系梁的主筋盡可能通長設(shè)置，當(dāng)在底面加大拱肋截面時，可使橫系梁的底面與拱肋同高，能方便布置通長鋼筋可靠連接，以保證整體性。
2.5、拱上填料換填加固
很多已建成多年的拱橋，特別是圬工拱橋，通常采用的拱上填料厚度較大，對于這類拱橋的計算分析中，恒載往往占有很大的比例，主拱圈大部分承載能力需用于承擔(dān)恒載自重。隨著車輛荷載的不算增加，極易超過橋梁的承載能力范圍，造成主拱圈的開裂，發(fā)展成為病險橋梁。拱上填料換填為輕質(zhì)材料，不僅可以通過調(diào)整拱上恒載的方式來調(diào)整壓力線，使主拱圈的壓力線與拱軸線盡可能的接近，減小拱內(nèi)彎矩內(nèi)力，當(dāng)橋梁承受活載的能力下降以及橋梁基礎(chǔ)承載能力受到限制，不能滿足加固拱圈和提高活載所增加的承載能力要求時，還可采用減輕拱上建筑自重的方法對拱橋進行改造，降低對下部結(jié)構(gòu)的要求，同時，也可減輕主拱圈的負(fù)擔(dān)，是一種經(jīng)濟有效的措施。
2.6、調(diào)整拱軸線加固
由于拱的受力與拱軸線的變化很大，對于拱圈變形過大的拱橋，實際拱軸線往往與壓力線偏差較大，而產(chǎn)生各種不同病害。這種情況下，若單獨采用截面補強、缺陷修補、局部加強等方式進行加固，已不能有效的改善拱圈的受力狀況。于是需要對拱軸線和壓力線進行調(diào)整，使其盡量吻合，改善拱圈的受力狀態(tài)，才能切實從根本上解決拱橋病害現(xiàn)狀，切實起到改造加固的作用。特別需要注意的是，拱圈的受力是與拱上恒載的分布和拱軸線形狀有著密切的關(guān)系，如果需要調(diào)整拱上填料厚度或者加強橋面來調(diào)整拱軸線時，必須對拱圈的受力進行詳細(xì)的計算分析，確定合理的方案，不可盲目增加自重。
2.7、鋼管混凝土拱橋管內(nèi)壓漿加固
鋼管混凝土的組合最大的特性就是鋼管和混凝土的套箍效應(yīng)，當(dāng)鋼管混凝土拱肋中發(fā)現(xiàn)有多處或大面積的不密實情況時，鋼管與核心混凝土之間會發(fā)生內(nèi)力重分布，從而大大降低該構(gòu)件的承壓能力以及穩(wěn)定性，為結(jié)構(gòu)的正常運營埋下了安全隱患。對于此類病害即可采用管內(nèi)壓漿的方式對拱肋進行加固，恢復(fù)結(jié)構(gòu)承載能力。
修補空洞一般采用聚合物混凝土，修補脫空縫隙則采用壓力注漿的方法，常用改性環(huán)氧膠粘劑。為了灌注混凝土，應(yīng)在鋼管上鉆孔，若孔徑較大，可用鋼板補焊，焊接時應(yīng)減少對原結(jié)構(gòu)的損傷。孔徑較小時用灌注膠液抹平即可。
2.8、更換吊桿加固
當(dāng)拱橋主體結(jié)構(gòu)尚好，但是其部分主要受力構(gòu)件諸如吊桿或系桿等均會因為疲勞荷載或其他原因而產(chǎn)生較為嚴(yán)重的病害，局部構(gòu)件承載能力已不能滿足正常運營要求時，可采用更換或者增強這些構(gòu)件的方法對結(jié)構(gòu)進行加固。
吊桿及系桿更換適用于中、下承式拱橋。吊桿在解除和張拉過程中，橋梁各部分的應(yīng)力有一個逐步變化的過程，一般采用分級張拉使荷載轉(zhuǎn)換平穩(wěn)，如不分級張拉，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞。吊桿多采用成品索，吊桿更換多以橋面高程控制變形。
2.9、改變結(jié)構(gòu)體系加固
在許可條件下可采用調(diào)整拱上自重的分布，改善拱圈受力，達到加固的目的，即改變拱橋結(jié)構(gòu)體系的方法。目前常將空腹式雙曲拱橋的拱式腹拱及拱頂實腹段等拱上建筑拆除后，重建為連續(xù)板式拱式建筑，從而達到減輕恒載、調(diào)整主拱圈受力狀態(tài)，以及改善橋梁荷載橫向分布性能，提高橋梁承載能力之目的。此加固方法應(yīng)謹(jǐn)慎實施。
三、工程實例
3.1、某石拱橋加固
3.1.1、橋梁概況
某石拱橋系1孔16m的漿砌片石拱橋，運營多年，養(yǎng)護中已發(fā)現(xiàn)部分病害，且因臨近一級路改建，需通過密集的施工重車，亟待加固補強。根據(jù)相關(guān)檢測報告，該橋主要結(jié)構(gòu)病害主要為拱圈斜縱向貫穿開裂。裂縫寬10～15mm，延伸至基礎(chǔ)；且拱圈有多條橫向裂縫，所有裂縫嚴(yán)重滲水。
圖2 1-16m漿砌片石拱橋橋梁概貌
3.1.2、主要加固方法
1、拱圈加固：
針對該橋拱圈斜縱向開裂這一主要病害，制定了套背拱圈的加固方案。
（1）開V型槽，壓力灌漿，修補裂縫，提高拱圈整體性。
（2）套拱加固法：在原有橋墩臺結(jié)構(gòu)進行改造后，在原主拱圈腹面下增設(shè)一層新拱圈，緊貼原拱圈底面，澆注新拱圈，共同承擔(dān)上部荷載。為保證混凝土質(zhì)量，澆筑混凝土?xí)r應(yīng)采用自密實免震搗混凝土，具體方法如下圖。
2、基礎(chǔ)補強：采用基礎(chǔ)壓漿的方式對基礎(chǔ)進行補強。
圖3 套拱加固法示意圖
3.1.3、加固效果評價
該橋目前已通過竣工驗收，加固后的該拱橋在重載施工車輛的密集通行情況下，未發(fā)現(xiàn)新增機構(gòu)病害，加固后運營狀況良好。
3.2、某雙曲拱橋加固
3.2.1、橋梁概況
某雙曲拱橋建成時間為1973年，公路等級三級，設(shè)計荷載等級為汽-15級、掛—80。橋梁全長86m，橋下凈空30m，跨徑組成1×60米。橋面寬8.7米，兩側(cè)護欄各寬0.5米，采用瀝青混凝土橋面鋪裝。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用重力式橋臺。
拱圈拱頂處拱肋出現(xiàn)橫向裂縫，縫寬0.3mm，拱波滲水，腹拱拱圈有滲水、裂縫等現(xiàn)象。造成該橋病害的主要原因：
1、早期橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)較低， 只為汽-l5級。不能承受目前較多的大噸位車輛通行。
2、由拱肋、拱波、拱板先后組合成的主拱圈整體性差，剛度較弱。
3.2.2、主要加固方法
由于該雙曲拱橋滲水病害較為嚴(yán)重，且在滲水作用下，原結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋可能已經(jīng)銹蝕，結(jié)構(gòu)的受力斷面在很大程度上得到了削弱。故對削弱的主拱圈應(yīng)采用在拱肋外包混凝土并新增橫隔板的方法進行加固補強。經(jīng)驗算分析，確定本橋加固方案為在原拱肋側(cè)面及底面各增加10cm和20cm厚混凝土，同時新增設(shè)15道橫系梁。使得該橋加固后拱肋截面寬70cm，高90cm。
3.2.3、加固效果評價
采取加大截面加固雙曲拱橋，其施工工期相對較短，且僅需要短時間阻斷交通，對社會效益影響較小，加固后，該雙曲拱橋橋跨結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較大的剛度和強度，符合目前結(jié)構(gòu)受力特點，其承載能力和工作性達到了整治加固的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和使用要求，目前運營良好。
圖4 加固后橋梁概貌
3.3、某鋼管混凝土拱橋加固
3.3.1、橋梁概況
某拱橋為2×120m中承式鋼管混凝土拱橋，橋梁總寬為13.1m，行車道凈寬為9m。其主拱圈采用啞鈴型斷面，總高度為2.1m，上、下弦管采用Φ820×12mmA3鋼板卷制，腹板采用16Mn鋼板，每孔橋面以上共設(shè)有5道“一”字形橫撐，橋面以下設(shè)“K”型風(fēng)構(gòu)，鋼管規(guī)格均為Φ630×8mm。吊桿由110Φ5mm高強碳素鋼絲組成，并采用玻璃絲布和鋼絲網(wǎng)水泥漿進行雙層防護。其橋面系為簡支體系，主要由吊桿橫梁和行車道T梁組成。該橋設(shè)計荷載等級為汽車-20級，掛車-100。
2002年11月，通過對該橋的檢查與檢測，發(fā)現(xiàn)該橋主要存在以下病害：
1、橋面下?lián)陷^為嚴(yán)重，最大撓度達27cm,撓跨比達1/444，結(jié)構(gòu)屬不良狀態(tài)；
2、上、下游主拱圈同時向上游方向發(fā)生側(cè)偏，最大側(cè)向偏移達13cm，約為跨度的1/1000，已超過質(zhì)檢評定標(biāo)準(zhǔn)的允許值；
3、吊桿采用鋼絲網(wǎng)護套，其水密性及氣密性均難以保證，不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，經(jīng)現(xiàn)場檢查，其護套已多處開裂或破損，內(nèi)部鋼絲銹蝕較為嚴(yán)重；
4、主拱圈鋼管內(nèi)多處存在不密實區(qū)域，部分程度上降低了橋跨結(jié)構(gòu)的承載能力；
5、吊桿橫梁存在較多的豎向裂縫，最大裂縫寬度達0.3mm，橫梁端部吊桿區(qū)的箍筋在施工過程中被截斷，嚴(yán)重降低了橫梁的抗剪能力。
3.3.2、主要加固方法
1、鋼管混凝土拱肋
由于拱肋管內(nèi)混凝土不密實，降低了結(jié)構(gòu)的承載能力及安全系數(shù)，因此對拱肋鋼管采取了壓漿的處理措施。為了達到較好的壓漿效果，壓漿材料采用環(huán)氧樹脂漿液，壓漿前采用人工敲擊的方法確定出不密實區(qū)域的范圍并用粉筆現(xiàn)場予以標(biāo)記，然后根據(jù)不密實區(qū)域范圍的大小開設(shè)一定數(shù)量的壓漿孔。壓漿時由低處向高處壓注，壓漿壓力為0.2MPa左右。
2、吊桿
原橋吊桿加固后更換為某低應(yīng)力防腐新索體，采用全防水設(shè)計及鍍鋅高強鋼絲，涂油并外包裹兩層PE護套；橫梁端為張拉端，拱肋端為固定端，采用鐓頭錨錨固。
3、橋面結(jié)構(gòu)
主橋橋面系為簡支體系，吊橫梁，縱置行車道T梁，T梁高度50厘米。對橫梁采取了粘貼鋼板及加大吊桿附近截面的方法進行加固。為了避免結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的進一步銹蝕和裂縫的進一步發(fā)展，首先對橫梁的裂縫進行了灌漿封閉處理，然后再進行補強加固。
4、橫系梁及風(fēng)構(gòu)
考慮到該橋拱肋存在較大的同方向側(cè)偏，且其抗推覆穩(wěn)定系數(shù)較低，同時，原有的“一”字形橫撐只與腹板進行了焊接連接，抗形變能力較弱。本次加固對鋼管拱肋增設(shè)了K型支撐，以加強橋跨結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性，即在原有“一”字形橫撐的基礎(chǔ)上增加斜45度風(fēng)構(gòu)，新增風(fēng)構(gòu)的鋼管型號為Φ500×8mm，分別與原有拱肋的上、下弦鋼管相連。
3.3.3、加固效果評價
本橋通過實施以上有針對性的加固，其通行能力和行車條件都得到大幅提高。加固完成至今已運營近五年，整個橋梁結(jié)構(gòu)處于良好的工作狀態(tài)。
四、結(jié)語
近十年來，我國西部地區(qū)公路交通事業(yè)發(fā)展迅猛，隨著數(shù)量眾多的拱橋使用年限的增長，在今后一段時期，拱橋加固任務(wù)將十分繁重。本文介紹的方法能指導(dǎo)一般拱橋常見病害的維修加固。工程實踐中，如何實地分析拱橋病害及其產(chǎn)生的原因，綜合采用具有針對性的各種合理加固措施，恢復(fù)拱橋的承載能力和使用性能，仍需廣大工程技術(shù)人員進一步總結(jié)研究。
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