西部地區拱橋常用加固措施交流圖文
前言
拱結構因其主要承受壓力，能使材料強度得到充分發揮，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、節省鋼材和水泥、構造簡單、利於普及、承載潛力大、養護費用少等優點，而成為我國西部地區公路的常用橋型。但是，在我國路網運營中的大量上世紀七、八十年代修建的拱橋，因為各種原因，該類橋樑均出現了不同程度的病害，事故拱橋（如下表1統計）及技術狀況等級為四、五類的拱橋數量則更多，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計
可見，通過科學合理的措施，恢復或提高西部地區尤其是經濟不發達地區數量眾多的拱橋的承載能力及通行能力，延長橋樑的使用壽命，滿足現代化交通運輸和西部大開發的需要，是非常迫切和具有重要現實意義的。
圖1 近年來我國部分拱橋垮塌事故圖片
實踐證明，針對病害橋樑，在橋樑運營管理中，實施詳實的橋樑檢測，認真分析橋樑病害產生的原因，科學制定加固方案，並根據設計目的和材料特性採用合理的施工方案加以實施，能最終達到維修橋樑病害及避免安全事故發生的目的。
一、西部地區拱橋常見病害及原因分析
西部地區，高速公路路網密度較低，國省幹線上的大量拱橋，承擔著繁重的運營壓力。因此在長期高負荷的運營過程中，由該類橋樑在多種環境因素、材料劣化、荷載（恆載或活載）變異等因素的反覆作用下，不可避免的會產生各種各樣的病害，具體分析如下。
1.1、西部地區拱橋常見病害概述
調研歸納西部地區多座運營中的拱橋，其各種常見的結構性病害主要表現為以下三類：
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、拱上建築損壞。
1.2、常見病害產生的原因分析概述
引起拱橋各種病害的原因很多，本文針對西部環境及運營現狀，並匯總常見原因，主要有以下幾方面：
1、超限超載車輛長期作用於老舊拱橋；
2、拱腳或墩台不均勻位移引起拱圈或橫向聯繫破壞；
3、材料強度不足，引起拱肋或拱圈承載能力不足；
4、橫向聯繫不足，引起拱橋失穩；
5、沖刷造成拱橋基礎破壞；
6、風化、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築損壞。
二、拱橋加固的常用方法探討
根據以上原因分析，結構西部地區實際情況，通過在工程實踐中的總結，西部地區拱橋加固應本著以下原則實施：
A、設計科學合理，經濟環保；
B、盡量不增加結構自重，不對拱圈等主要承重構件造成損傷；
C、加固後橋樑能滿足運營荷載的使用要求，並有一定的安全儲備；
D、施工簡便、快捷，加固施工過程對交通影響減至最小；
E、加固後橋樑耐久性強、養護方便。
鑒於以上原則，當拱橋承載能力、穩定性、整體性、耐久性不足時，可選擇以下方式，對西部廣大國省幹線上的在役拱橋進行加固。
2.1、增大拱圈截面加固
增大截面加固法是採用同種材料——鋼筋混凝土，來增大原混凝土結構的截面面積和配筋，以達到提高構件的截面承載力、剛度、穩定性和抗裂性的目的，也可用來修補裂縫等。可適用於桁架拱、剛架拱以及雙曲拱橋的加固。在增大截面之前首先應對原拱肋進行缺陷修補以及結合面鑿毛，露出粗骨料，然後在拱肋植入鋼筋，並架設縱橫向受力主筋，再澆築外包混凝土並養生。
針對西部老舊的石拱橋，應用較多的是鋼筋混凝土套箍封閉主拱圈技術對主拱圈進行加固，提高原橋的受力整體性和承載力，增強結構的整體耐久性能。採用套拱加固法加固圬工拱橋，既可採用整體截面，也可採用肋式截面。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繫，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化。
針對圬工拱橋，還可採用錨噴混凝土加固拱圈。利用錨入原主拱圈內的錨桿掛設鋼筋網，再施噴加入適量速凝劑的混凝土至結構面層，直至形成複合主拱圈，並與原主拱圈共同協調變形，分擔部分活載，從而達到提高橋樑承載力的目的。
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複合材料加固拱圈或拱上建築。
粘貼鋼板主要採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。粘貼鋼板加固技術具有施工控制性好，工藝成熟，材料易購，施工速度快等優點，比較適合實際工程的應用。
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構的受拉緣或薄弱部位，使之與結構形成整體，用以代替需增設的補強鋼筋，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，能不經振搗靠自身的重力作用自流平自密實並充滿模板和包裹鋼筋，在施工中對模板體系的強度和穩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「鋼板混凝土結構」。其工藝在於：拱肋表面清理、鑿毛後在原結構表面植筋並布置受力鋼筋，安裝鋼模板並焊接，後澆築自密實混凝土。此種方法多用於T梁等梁肋補強加固，目前拱橋結構也經常採用這種方法。
2.4、增加橫向聯繫加固
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。但是經過長期的荷載反作用，往往橫向聯繫構造會先於主拱肋出現各類病害，尤其是早年修建的雙曲拱橋，其橫向聯繫的剛度更加薄弱。此時即使主拱肋還未產生較為嚴重的病害，結構也會因橫向整體性變差而造成整體承載能力的下降。因此必須採用有效措施對結構的橫向聯繫進行增加補強，以恢復結構設計受力模式。一般採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樑補強加固的重要技術措施之一，可與其他加固方式共同實施。
橫系梁的主筋儘可能通長設置，當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，通常採用的拱上填料厚度較大，對於這類拱橋的計算分析中，恆載往往佔有很大的比例，主拱圈大部分承載能力需用於承擔恆載自重。隨著車輛荷載的不算增加，極易超過橋樑的承載能力範圍，造成主拱圈的開裂，發展成為病險橋樑。拱上填料換填為輕質材料，不僅可以通過調整拱上恆載的方式來調整壓力線，使主拱圈的壓力線與拱軸線儘可能的接近，減小拱內彎矩內力，當橋樑承受活載的能力下降以及橋樑基礎承載能力受到限制，不能滿足加固拱圈和提高活載所增加的承載能力要求時，還可採用減輕拱上建築自重的方法對拱橋進行改造，降低對下部結構的要求，同時，也可減輕主拱圈的負擔，是一種經濟有效的措施。
2.6、調整拱軸線加固
由於拱的受力與拱軸線的變化很大，對於拱圈變形過大的拱橋，實際拱軸線往往與壓力線偏差較大，而產生各種不同病害。這種情況下，若單獨採用截面補強、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。於是需要對拱軸線和壓力線進行調整，使其盡量吻合，改善拱圈的受力狀態，才能切實從根本上解決拱橋病害現狀，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恆載的分布和拱軸線形狀有著密切的關係，如果需要調整拱上填料厚度或者加強橋面來調整拱軸線時，必須對拱圈的受力進行詳細的計算分析，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，當鋼管混凝土拱肋中發現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生內力重分布，從而大大降低該構件的承壓能力以及穩定性，為結構的正常運營埋下了安全隱患。對於此類病害即可採用管內壓漿的方式對拱肋進行加固，恢復結構承載能力。
修補空洞一般採用聚合物混凝土，修補脫空縫隙則採用壓力注漿的方法，常用改性環氧膠粘劑。為了灌注混凝土，應在鋼管上鑽孔，若孔徑較大，可用鋼板補焊，焊接時應減少對原結構的損傷。孔徑較小時用灌注膠液抹平即可。
2.8、更換吊杆加固
當拱橋主體結構尚好，但是其部分主要受力構件諸如吊杆或系桿等均會因為疲勞荷載或其他原因而產生較為嚴重的病害，局部構件承載能力已不能滿足正常運營要求時，可採用更換或者增強這些構件的方法對結構進行加固。
吊杆及系桿更換適用於中、下承式拱橋。吊杆在解除和張拉過程中，橋樑各部分的應力有一個逐步變化的過程，一般採用分級張拉使荷載轉換平穩，如不分級張拉，容易產生應力集中，導致橋樑結構發生損壞。吊杆多採用成品索，吊杆更換多以橋面高程式控制制變形。
2.9、改變結構體系加固
在許可條件下可採用調整拱上自重的分布，改善拱圈受力，達到加固的目的，即改變拱橋結構體系的方法。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築拆除後，重建為連續板式拱式建築，從而達到減輕恆載、調整主拱圈受力狀態，以及改善橋樑荷載橫向分布性能，提高橋樑承載能力之目的。此加固方法應謹慎實施。
三、工程實例
3.1、某石拱橋加固
3.1.1、橋樑概況
某石拱橋系1孔16m的漿砌片石拱橋，運營多年，養護中已發現部分病害，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。根據相關檢測報告，該橋主要結構病害主要為拱圈斜縱向貫穿開裂。裂縫寬10～15mm，延伸至基礎；且拱圈有多條橫向裂縫，所有裂縫嚴重滲水。
圖2 1-16m漿砌片石拱橋橋樑概貌 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：公路養護網微信公眾號。在原有橋墩台結構進行改造後，在原主拱圈腹面下增設一層新拱圈，緊貼原拱圈底面，澆注新拱圈，共同承擔上部荷載。為保證混凝土質量，澆築混凝土時應採用自密實免震搗混凝土，具體方法如下圖。
2、基礎補強：採用基礎壓漿的方式對基礎進行補強。
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，加固後的該拱橋在重載施工車輛的密集通行情況下，未發現新增機構病害，加固後運營狀況良好。
3.2、某雙曲拱橋加固
3.2.1、橋樑概況
某雙曲拱橋建成時間為1973年，公路等級三級，設計荷載等級為汽-15級、掛—80。橋樑全長86m，橋下凈空30m，跨徑組成1×60米。橋面寬8.7米，兩側護欄各寬0.5米，採用瀝青混凝土橋面鋪裝。橋樑下部結構採用重力式橋台。
拱圈拱頂處拱肋出現橫向裂縫，縫寬0.3mm，拱波滲水，腹拱拱圈有滲水、裂縫等現象。造成該橋病害的主要原因：
1、早期橋樑設計荷載標準較低， 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、拱板先後組合成的主拱圈整體性差，剛度較弱。
3.2.2、主要加固方法
由於該雙曲拱橋滲水病害較為嚴重，且在滲水作用下，原結構內部鋼筋可能已經鏽蝕，結構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採用在拱肋外包混凝土並新增橫隔板的方法進行加固補強。經驗算分析，確定本橋加固方案為在原拱肋側面及底面各增加10cm和20cm厚混凝土，同時新增設15道橫系梁。使得該橋加固後拱肋截面寬70cm，高90cm。
3.2.3、加固效果評價
採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，加固後，該雙曲拱橋橋跨結構表現出較大的剛度和強度，符合目前結構受力特點，其承載能力和工作性達到了整治加固的設計標準和使用要求，目前運營良好。
圖4 加固後橋樑概貌
3.3、某鋼管混凝土拱橋加固
3.3.1、橋樑概況
某拱橋為2×120m中承式鋼管混凝土拱橋，橋樑總寬為13.1m，行車道凈寬為9m。其主拱圈採用啞鈴型斷面，總高度為2.1m，上、下弦管採用Φ820×12mmA3鋼板卷制，腹板採用16Mn鋼板，每孔橋面以上共設有5道「一」字形橫撐，橋面以下設「K」型風構，鋼管規格均為Φ630×8mm。吊杆由110Φ5mm高強碳素鋼絲組成，並採用玻璃絲布和鋼絲網水泥漿進行雙層防護。其橋面係為簡支體系，主要由吊杆橫樑和行車道T梁組成。該橋設計荷載等級為汽車-20級，挂車-100。
2002年11月，通過對該橋的檢查與檢測，發現該橋主要存在以下病害：
1、橋面下撓較為嚴重，最大撓度達27cm,撓跨比達1/444，結構屬不良狀態；
2、上、下游主拱圈同時向上遊方向發生側偏，最大側向偏移達13cm，約為跨度的1/1000，已超過質檢評定標準的允許值；
3、吊杆採用鋼絲網護套，其水密性及氣密性均難以保證，不滿足現行規範要求，經現場檢查，其護套已多處開裂或破損，內部鋼絲鏽蝕較為嚴重；
4、主拱圈鋼管內多處存在不密實區域，部分程度上降低了橋跨結構的承載能力；
5、吊杆橫樑存在較多的豎向裂縫，最大裂縫寬度達0.3mm，橫樑端部吊杆區的箍筋在施工過程中被截斷，嚴重降低了橫樑的抗剪能力。
3.3.2、主要加固方法
1、鋼管混凝土拱肋
由於拱肋管內混凝土不密實，降低了結構的承載能力及安全係數，因此對拱肋鋼管採取了壓漿的處理措施。為了達到較好的壓漿效果，壓漿材料採用環氧樹脂漿液，壓漿前採用人工敲擊的方法確定出不密實區域的範圍並用粉筆現場予以標記，然後根據不密實區域範圍的大小開設一定數量的壓漿孔。壓漿時由低處向高處壓注，壓漿壓力為0.2MPa左右。
2、吊杆
原橋吊杆加固後更換為某低應力防腐新索體，採用全防水設計及鍍鋅高強鋼絲，塗油並外包裹兩層PE護套；橫樑端為張拉端，拱肋端為固定端，採用鐓頭錨錨固。
3、橋面結構
主橋橋面係為簡支體系，吊橫樑，縱置行車道T梁，T梁高度50厘米。對橫樑採取了粘貼鋼板及加大吊杆附近截面的方法進行加固。為了避免結構內部鋼筋的進一步鏽蝕和裂縫的進一步發展，首先對橫樑的裂縫進行了灌漿封閉處理，然後再進行補強加固。
4、橫系梁及風構
考慮到該橋拱肋存在較大的同方向側偏，且其抗推覆穩定係數較低，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了K型支撐，以加強橋跨結構的橫向穩定性，即在原有「一」字形橫撐的基礎上增加斜45度風構，新增風構的鋼管型號為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，整個橋樑結構處於良好的工作狀態。
四、結語
近十年來，我國西部地區公路交通事業發展迅猛，隨著數量眾多的拱橋使用年限的增長，在今後一段時期，拱橋加固任務將十分繁重。本文介紹的方法能指導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生的原因，綜合採用具有針對性的各種合理加固措施，恢復拱橋的承載能力和使用性能，仍需廣大工程技術人員進一步總結研究。
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