石拱橋病害成因分析與加固措施研究
2015-07-29
1 引言
石拱橋由于其就地取材、施工簡單、不需要大型設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，在50年代~80年代被廣泛推廣使用。然而，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，重型車輛與日俱增，加之橋梁建設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)荷載較小，導(dǎo)致現(xiàn)階段多數(shù)石拱橋已無法滿足正常使用要求，處于超負(fù)荷狀態(tài)，因而出現(xiàn)病害情況較多，需要維修加固，提高其承載能力。本文將就石拱橋常見病害的成因與加固處理措施作一些淺要分析。
2 石拱橋常見病害及成因分析
2.1主拱圈裂縫
拱圈裂縫是石拱橋最常見的病害。主拱圈開裂嚴(yán)重影響橋梁的安全性，按照開裂方向可以分為主拱圈橫向裂縫與縱向裂縫。
2.1.1主拱圈橫向裂縫及成因分析
主拱圈橫向裂縫多發(fā)生在拱頂下部或拱腳上部，其主要成因分析如下:
1)主拱圈截面太薄或石料強(qiáng)度不夠。對石拱橋主拱圈進(jìn)行內(nèi)力分析可知，拱頂承受最大正彎矩，拱腳承受最大負(fù)彎矩，當(dāng)截面抗力小于荷載內(nèi)力時(shí)，拱頂下部或拱腳上部受拉部位開裂。
2)拱圈受力不對稱。這種情況主要發(fā)生在坡橋或彎橋上。有些坡橋坡度較大，而主拱圈水平設(shè)置，造成拱圈受力不對稱；車輛在彎橋上轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生向心力，造成拱圈彎道外側(cè)開裂。
3)基礎(chǔ)均勻沉降，墩臺(tái)移動(dòng)。石拱橋多按無鉸拱設(shè)計(jì)，為超靜定結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)沉降或墩臺(tái)位移將引起主拱圈巨大的附加應(yīng)力，造成拱圈橫向開裂，且多發(fā)生在L／4處。
4)設(shè)計(jì)時(shí)拱軸系數(shù)選擇不當(dāng)
5)施工質(zhì)量差。如砂漿不飽滿、砌筑工藝不規(guī)范等。
主拱圈橫向裂縫對原結(jié)構(gòu)的影響:如果主拱圈出現(xiàn)橫向裂縫并發(fā)展到一定深度，開裂面的抗彎慣性矩將大大降低，相當(dāng)于形成鉸，改變原結(jié)構(gòu)體系，內(nèi)力隨之發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低。如果出現(xiàn)多條橫向裂縫，形成三鉸以上時(shí)，結(jié)構(gòu)將變成可變體系，失穩(wěn)破壞。
2.1.2主拱圈縱向裂縫及成因分析
主拱圈的縱向裂縫成因分析如下:
1)拱圈多采用分環(huán)砌筑，如在施工時(shí)，未注意環(huán)與環(huán)交錯(cuò)搭接，則會(huì)在拱腹發(fā)生縱向開裂;
2)基礎(chǔ)非均勻沉降;
3)結(jié)構(gòu)自身的受力特征影響，如彎橋受離心力作用;
4）局部溫度應(yīng)力。對于長期存在局部日照的拱橋，橫向兩側(cè)存在較大溫差，主拱圈或在日照區(qū)域邊緣產(chǎn)生縱向裂縫。
主拱圈縱向裂縫對原結(jié)構(gòu)的影響:結(jié)構(gòu)自身橫向整體性降低;裂縫兩側(cè)拱圈的受力變形不均勻，局部內(nèi)力增大。由于裂縫使橫向受力性能減弱，即使橫向力不變，裂縫也將繼續(xù)發(fā)展，繼而導(dǎo)致拱橋承載能力的降低。
2.2腹拱圈裂縫
腹拱圈開裂現(xiàn)象嚴(yán)重且普遍，其主要成因分析如下:
1)鉸縫處理不當(dāng)。石砌腹拱圈的鉸石應(yīng)選擇石質(zhì)堅(jiān)硬且無裂紋的石料，一對鉸石的接觸面較一般拱石應(yīng)多加修鑿以增大實(shí)際接觸面積，如果施工中未達(dá)到要求，將導(dǎo)致鉸石破壞而開裂;
2)拱與拱上建筑的聯(lián)合作用顯著;
3)腹拱的開裂造成橋面破壞，加上養(yǎng)護(hù)不到位，引起橋面滲水，又加劇了腹拱圈裂縫的開展。
2.3橋面破損
橋面破損影響行車舒適性和安全性、且可能加劇其他部位破損。其主要成因分析如下：
1)對實(shí)腹式拱橋來說，拱上填料多采用砂礫或碎石等柔性填料，柔性填料在車輛荷載作用下的不均勻壓縮變形或臺(tái)后排水處理不當(dāng)，造成填料積水，填料強(qiáng)度降低，引起路面破壞。
2)空腹式拱橋由于腹拱鉸的存在，為適應(yīng)變形的需要，側(cè)墻與橋面結(jié)構(gòu)需相應(yīng)設(shè)置伸縮縫或變形縫，這些部位往往是裂縫的起源。
2.4防水層破壞或失效
防水層破壞或失效，使拱圈漏水，影響結(jié)構(gòu)安全，縮短了橋梁的使用壽命。其主要成因分析如下:
1)實(shí)腹式拱橋施工時(shí)常采用易找到的一般亞粘土作為防水層，防水效果不佳；橋面有滲水，防水層易軟化而失效。
2)空腹式拱橋多采用瀝青、油毛氈防水層，油毛氈容易老化，特別是變形縫處，難以保證瀝青麻絮密實(shí)。
除此之外，石拱橋還有基礎(chǔ)沖刷及基礎(chǔ)沉降、滑移、開裂等很多病害。石拱橋的病害有的影響橋梁的安全，有的只是影響橋梁的使用性能。因此對石拱橋的病害進(jìn)行詳盡的調(diào)查分析，可根據(jù)危害程度的不同進(jìn)行相應(yīng)處理，對那些危及交通安全的病害要及時(shí)整治，必要時(shí)需對橋梁進(jìn)行加固改造。
3 主拱圈常用加固措施
石拱橋加固措施很多，但歸根結(jié)底，主要是增大拱圈截面、增強(qiáng)拱肋、拱波之間的聯(lián)系、加強(qiáng)橫向聯(lián)系、減輕拱上建筑的重量等幾種基本方法方法及其衍生。加固原理如下:
加固方法主要通過增大截面面積A、W減小截面應(yīng)力或通過增大容許應(yīng)力來提高橋梁的承載能力。
目前，常用的加固措施有錨噴混凝土加固、體外預(yù)應(yīng)力加固及鋼筋混凝土套箍加固。
3.1錨噴混凝土加固
錨噴混凝土加固是隧道施工中的“新奧法”在橋梁加固中的應(yīng)用。其加固機(jī)理在于:利用錨入原主拱圈內(nèi)的錨桿掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，再噴射加入適量速凝劑的混凝土至結(jié)構(gòu)面層，形成復(fù)合主拱圈，與原主拱圈共同協(xié)調(diào)變形，分擔(dān)部分活載，從而達(dá)到提高橋梁承載力的目的。
工藝流程：處理原有裂縫→設(shè)置砂漿錨固→主拱圈鑿毛、沖洗→掛設(shè)鋼筋網(wǎng)→噴射混凝土→養(yǎng)生。
施工要點(diǎn):每次噴護(hù)厚度不宜超過5~8cm。若需加厚，需反復(fù)多噴幾次。
3.2碳纖維粘貼加固
體外預(yù)應(yīng)力加固是以鋼絞線或高強(qiáng)鋼絲等鋼材作為施力工具，對橋梁結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，以預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩和拉力部分抵消外荷載長生的內(nèi)力，從而達(dá)到改善舊橋使用性能并提高其承載能力的目的，具有加固、卸載和改變結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)力分布三重效果。
?。?）工藝流程：安裝錨固板→安裝箍圈或定位梢→布設(shè)鋼絲束→張拉→進(jìn)行必要的防護(hù)處理。
?。?)施工要點(diǎn):需重視鋼材防銹處理。
3.3鋼筋混凝土套箍加固
鋼筋混凝土套箍主拱圈加固的主要機(jī)理在于:增大原主拱圈的截面尺寸和剛度;新增設(shè)鋼筋混凝土層與原主拱圈共同作用,分擔(dān)了橋梁活載;鋼筋混凝土套箍環(huán)狀封閉原主拱圈，使結(jié)構(gòu)三向受壓，提高結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度，同時(shí)增強(qiáng)橋梁防水蝕、抗風(fēng)化能力。
?。?）工藝流程：處理原有裂縫→設(shè)置砂漿錨固→主拱圈鑿毛、沖洗→掛設(shè)縱、環(huán)鋼筋網(wǎng)格→現(xiàn)澆拱腹、側(cè)面、拱背混凝土→養(yǎng)生。
?。?）施工要點(diǎn):①縱向鋼筋在拱腳區(qū)段予以加密;②套箍封閉層采用移動(dòng)架?，F(xiàn)澆施工；③先澆拱腹面及拱圈兩側(cè)面,再澆拱背;從拱腳往拱頂方向兩岸對稱施工。
4 小結(jié)
橋梁加固是一項(xiàng)重要的橋梁研究課題。在我國,由于舊橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低,現(xiàn)有交通量高速增長的形勢,決定了我國有相當(dāng)一部分橋梁急待加固的客觀現(xiàn)實(shí)。針對既有橋梁的損傷、缺陷及使用情況，掌握石拱橋病害形成的原因，并對癥下藥，制定合理的橋梁加固維修方案來提高橋梁的耐久性、安全性及使用性，具有重要意義。
