周林聰，鄭一峰，趙洪波，劉鳳敏

(1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026;2.吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)校，長春 130012)

石拱橋是砌體結(jié)構(gòu)，具有因地制宜、就地取材、造價低、橋型雄偉壯觀的優(yōu)點(diǎn)，是我國早期橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式。由于受當(dāng)時生產(chǎn)力水平的限制，這些石拱橋或因設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)低，或年久失修，正逐步成為危橋，急需加固修復(fù)。因此本文分析石拱橋上部結(jié)構(gòu)的常見損傷病害及其原因，總結(jié)國內(nèi)外常用的石拱橋加固技術(shù)，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，為石拱橋的維修加固提供參考。

1 石拱橋上部結(jié)構(gòu)常見病害及成因

1.1 主拱圈開裂

主拱圈開裂是石拱橋最常見的病害，主要有主拱圈順橋向、橫橋向或斜向開裂。主拱圈橫向開裂多發(fā)生在拱頂下部或拱腳上部，有時甚至?xí)_裂至拱壁。造成主拱圈橫向開裂的主要原因?yàn)橹鞴叭穸忍』虿牧蠌?qiáng)度不夠、基礎(chǔ)沉陷、墩臺移動、拱圈受力不對稱或設(shè)計施工不當(dāng)［1］。這種開裂嚴(yán)重影響到橋梁的安全。

1.2 腹拱圈開裂

腹拱圈開裂最嚴(yán)重且普遍，是石拱橋最主要的病害。主要原因可歸結(jié)為:腹拱推力過大，施工質(zhì)量較差產(chǎn)生裂縫;鉸縫處理不當(dāng)造成鉸石破壞而開裂;拱與拱上建筑的聯(lián)合作用而影響拱上建筑內(nèi)力［1］。

1.3 拱圈分條倒塌

多發(fā)生于并列砌筑的石拱橋，主要是荷載作用下主拱圈受到過大的橫向力作用，導(dǎo)致石拱橋外圈外鼓，圈縫擴(kuò)大［2］。

1.4 石料風(fēng)化

因拱橋所處環(huán)境中空氣污染嚴(yán)重，各種有害氣體、污水長期侵害、腐蝕拱石或寒區(qū)凍融導(dǎo)致橋體石料風(fēng)化，致使拱石強(qiáng)度、耐久性等削弱［3］。

2 石拱橋加固改造技術(shù)

2.1 常用石拱橋加固改造技術(shù)

1)裂縫灌漿加固技術(shù)

灌漿加固技術(shù)是一種專門針對裂縫處理的技術(shù)。它是指施加一定的壓力，將某種漿液灌入結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)部裂縫中。該方法能夠有效地封閉裂縫、提高主拱圈的整體性、恢復(fù)并提高結(jié)構(gòu)耐久性和抗?jié)B性能。在石拱橋加固中，一般用于塊石砌筑砂漿不飽滿、砂漿強(qiáng)度低、需提高整體性的拱圈［3］。

灌漿加固法具有節(jié)省投資和時間、施工方便、效率高、一般不影響正常交通等優(yōu)點(diǎn)。采用注漿技術(shù)可同時加固橋體及持力層，提高橋臺的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及持力層承載力。但該方法提高石拱橋承載能力幅度有限;對裂縫開展嚴(yán)重的拱橋具有局限性。一般和其它加固方法混合使用，提高加固效果。

2)錨噴混凝土加固技術(shù)

錨噴混凝土技術(shù)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，充分發(fā)揮原結(jié)構(gòu)作用，共同承擔(dān)外荷載產(chǎn)生的各種效應(yīng)，從而達(dá)到提高橋梁承載力的目的［4］。

錨噴混凝土加固技術(shù)是一種簡單、實(shí)用、便捷的加固方法。和現(xiàn)澆混凝土加固橋梁相比具有大量節(jié)省模板、施工工期短、占用空間小、作業(yè)方便、不影響交通等優(yōu)點(diǎn)。但存在施工復(fù)雜，后期強(qiáng)度低，耐久性差的缺點(diǎn)。新舊結(jié)構(gòu)層的結(jié)合、噴射混凝土厚度等因素對結(jié)構(gòu)極限承載力的影響需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

3)粘貼加固技術(shù)

粘貼加固技術(shù)是指采用環(huán)氧砂漿或建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板、玻璃纖維布(玻璃鋼)、碳纖維布、芳綸纖維布等高強(qiáng)材料粘貼在主拱圈表面，提高主拱圈的強(qiáng)度，減少裂縫擴(kuò)展，提高橋梁的承載力。根據(jù)粘貼材料的不同，分為粘貼鋼板技術(shù)、粘貼碳纖維布等技術(shù)。

粘貼鋼板加固法一般是將鋼板用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板粘貼在結(jié)構(gòu)受拉部位的表面，使之與結(jié)構(gòu)形成整體，共同受力。充分發(fā)揮圬工材料的抗壓性能和鋼材的抗拉性能，從而提高橋梁抗彎、抗剪能力，還可阻止橋梁裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展［5］。

近幾年也有采用粘貼技術(shù)，將高強(qiáng)度、高彈性模量、可塑性強(qiáng)的碳纖維布和芳綸纖維布等新材料粘貼于需加固的結(jié)構(gòu)表面的粘貼加固方法。粘貼纖維布法與鋼板粘貼加強(qiáng)法基本原理是一致的，均是將增強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)鋼筋，提高結(jié)構(gòu)的承載能力，達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)的目的［6］。國內(nèi)有試驗(yàn)結(jié)果表明，在石拱橋加固中采用碳纖維加固可提高橋梁承載力12%左右［7］。

4)鋼筋混凝土套箍封閉主拱圈加固技術(shù)

該技術(shù)是近幾年國內(nèi)科研人員研究并已應(yīng)用于實(shí)踐的成功橋梁加固技術(shù)。其加固機(jī)理在于，通過有效保障措施，在原主拱圈外層環(huán)狀現(xiàn)澆增設(shè)一層鋼筋混凝土套箍，形成復(fù)合主拱圈。利用新增設(shè)套箍層與原主拱圈的共同協(xié)調(diào)變形、承擔(dān)活載，達(dá)到增大拱圈剛度、強(qiáng)度，提高橋梁承載力、防水蝕、抗風(fēng)化的目的［8］。為使主拱圈受力更為合理，鋼筋混凝土套箍層沿縱向采用變截面的形式，即截面從跨中至拱腳逐漸變大。

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:①利用結(jié)構(gòu)在三向受壓情況下其抗壓強(qiáng)度將提高的原理，采用鋼筋混凝土套箍環(huán)狀加固橋梁，加固增強(qiáng)效果顯著;②鋼筋混凝土套箍層采用現(xiàn)澆施工，可達(dá)到較高的混凝土強(qiáng)度;③耐久性好，主拱圈的防水蝕、抗風(fēng)化性能大幅提高。

5)頂推法加固技術(shù)

根據(jù)拱橋理論，兩拱腳相對變位將使主拱圈內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力。頂推法以兩拱腳的靠近變位產(chǎn)生的附加內(nèi)力來減小在拱圈中已存在的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變位，從而使拱肋徑向受力裂縫趨向閉合，同時抬高拱頂高程，理順橋面縱坡，以恢復(fù)、提高拱橋承載能力［9］。

該方法經(jīng)濟(jì)實(shí)用，施工快速、簡潔?？稍诓粨p壞原橋外貌、不縮小通航凈空的情況下，完成橋梁的加固工作。但其技術(shù)要求高，技術(shù)使用的局限性較大。

6)減輕拱上建筑重量

現(xiàn)有的石拱橋多數(shù)是采用腹拱式拱上建筑為主體，由于拱上建筑自重較大，恒載重量通常占有很大的比例，特別是實(shí)腹式石拱橋，拱上建筑自重更大，主拱圈大部分用于承擔(dān)恒載自重。因此，可以采取減輕橋梁恒載自重的辦法，明顯地改善拱圈的受力情況，來提高原橋承受活載的能力。減輕橋梁自重的方式有:①減薄拱上填料厚度或者換填輕質(zhì)材料;②將腹孔的重力式橫墻挖空或改造成鋼筋混凝土立柱;③用輕質(zhì)橋面系代替笨重的腹拱體系;④用輕型拱上建筑取代腹拱式拱上建筑。

7)體外預(yù)應(yīng)力加固方法

體外預(yù)應(yīng)力加固是指將布置于承載結(jié)構(gòu)本體之外的鋼筋、鋼束等作為施力工具，通過張拉施加預(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產(chǎn)生的內(nèi)力，從而達(dá)到改善舊橋使用性能并提高其極限承載能力的目的。

用體外預(yù)應(yīng)力加固石拱橋，免去了橋面開挖，橋面只需做少量填補(bǔ)工作，不會給行車帶來太大干擾，可以實(shí)現(xiàn)不中斷行車。不需要肋下灌注混凝土而必須搭設(shè)滿堂支架，并且避免了新建渡口或臨時便道，大大節(jié)省了投資和臨時工作量。

它的缺點(diǎn)是:使橋下凈空大幅度降低，將會影響通航;錨固塊和轉(zhuǎn)向裝置有時不便于設(shè)置;轉(zhuǎn)向裝置處設(shè)計不當(dāng)會造成大量的預(yù)應(yīng)力損失，并導(dǎo)致施工復(fù)雜;結(jié)構(gòu)外露面不平整;需注意體外索的防火、防銹和防腐等耐久性問題［10］。

2.2 國外研發(fā)的幾種方法

1)拱背加鞍法

拱背加鞍法是一種國外較常規(guī)的方法。即挖除拱背的填土，露出原有石拱橋的拱背。在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增添加筋、大體積混凝土平板或彎曲厚板。

該方法施工簡單，可有效提高原有石拱橋的承載力。但造價高，施工期間阻斷交通且工期長［11］。

2)拱底加筋法

拱底加筋法根據(jù)設(shè)計沿縱、橫向在拱底表面鑿槽，利用粘合劑在凹槽內(nèi)粘貼鋼筋網(wǎng)，并在外表面噴射混凝土。該方法可有效提高拱橋強(qiáng)度，但施工條件要求高，有時難以進(jìn)入拱底進(jìn)行施工，而且在拱底鑿槽并粘貼鋼筋，會損壞原有拱橋結(jié)構(gòu)［12］。

3)BEBO法

BEBO法屬美國CONTECH工程公司的專利技術(shù)。該方法可根據(jù)實(shí)際的石拱橋拱底形狀，預(yù)制混凝土拱。在拱外現(xiàn)場組裝，再滑入拱底對石拱橋進(jìn)行加固。

該方法省時省力，但只適合于中短跨的拱橋，且對施工工藝要求較高［13］。

4)錨固法

錨固法可應(yīng)用于破壞較嚴(yán)重，承載能力嚴(yán)重降低，甚至形成鉸破壞的石拱橋。該方法通過在拱內(nèi)鉆孔，孔內(nèi)放置不銹鋼錨桿，填充粘結(jié)劑與石材形成整體。錨桿與原有結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)荷載，提高拱圈抗彎能力，起到加固的目的。

該方法可有效地提高拱圈承載力，保持橋梁原貌，不影響交通，耐久性較好，但對施工工藝要求較高，且施工復(fù)雜［14］。

3 方案比較

根據(jù)前節(jié)所述，表1概括了目前國內(nèi)外常用石拱橋上部結(jié)構(gòu)加固改造技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 石拱橋上部結(jié)構(gòu)各種加固改造技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

在具體選擇拱橋加固改造技術(shù)時，可首先根據(jù)拱橋損壞現(xiàn)狀和加固目的選擇合適的加固方案。當(dāng)存在多種方案滿足加固要求時，應(yīng)對方案的施工難易程度和造價進(jìn)行評價，選擇經(jīng)濟(jì)合理的加固改造方案。

4 結(jié)語

石拱橋的加固改造是舊橋、危橋改造的一項重要內(nèi)容，而橋梁的加固改造對橋梁結(jié)構(gòu)壽命有著顯著的影響。理想的加固改造技術(shù)應(yīng)該是盡少地改變橋梁結(jié)構(gòu)原貌及附屬設(shè)備;盡少地阻礙交通;提供足夠的承載能力，且具備應(yīng)有的耐久性及經(jīng)濟(jì)性。雖然國內(nèi)外拱橋加固改造技術(shù)多種多樣，卻又都有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)和不同的適用范圍。在選擇加固技術(shù)的時候，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，充分研究造成病害的原因，分析比較各種加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最合理的加固技術(shù)，甚至可以綜合使用多種技術(shù)，使加固效果達(dá)到最優(yōu)化。

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