陳　鴻

(巴中市恩陽區(qū)交通運輸局, 四川巴中 636600)

石拱橋因其具有造型優(yōu)美、取材方便、造價低廉、承載潛力大等優(yōu)點，在我國特別是在西南地區(qū)被廣泛應用，舊橋中石拱橋的比例更大。但同時，隨著修建年代的推移，通行荷載等級提高，大量的石拱橋出現(xiàn)了不同程度的病害，給交通通行帶來了安全隱患。因此針對拱橋掌握病害成因，提出有效的加固技術(shù)、方法，對我國的舊橋養(yǎng)護工作具有特殊意義。本文總結(jié)了大跨度石拱橋主要構(gòu)件的關(guān)鍵性病害，并對其成因進行了分析，提出了相應的養(yǎng)護加固措施。

1　大跨度石拱橋的病害及成因分析

橋梁結(jié)構(gòu)的病害通常分為結(jié)構(gòu)性病害及非結(jié)構(gòu)性病害[1]，對于前者將直接對結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成隱患，需要高度重視，后者會影響結(jié)構(gòu)的正常使用，通常不會直接對結(jié)構(gòu)構(gòu)成安全隱患。因而在對石拱橋進行技術(shù)狀況評估時，首先應當定性地區(qū)分是否為結(jié)構(gòu)性病害還是非結(jié)構(gòu)性病害，確定石拱橋關(guān)鍵性病害。

1.1　主拱圈

主拱圈是拱橋的最主要承重構(gòu)件，拱圈病害的產(chǎn)生、發(fā)展、病害特征與基礎(chǔ)和墩臺、拱上建筑、橋面系、運行荷載密切相關(guān)。

1.1.1主拱圈下?lián)献冃?/p>

主拱圈下?lián)献冃翁貏e是在拱頂區(qū)段，主拱圈不再是一條圓滑的曲線，局部呈現(xiàn)出折線狀。其主要原因如下：(1)由于施工時拱架放樣、施工時拱架剛度不足、施工質(zhì)量差導致主拱圈發(fā)生了永久性變形；(2)拱軸系數(shù)選擇不當，使荷載壓力線與拱軸中心線偏離太大而開裂下?lián)希?3)超載運營引起變形。拱圈的過大變形會導致其的實際拱軸線發(fā)生了變化，拱軸線已不是合理的拱軸線或設(shè)計拱軸線，橋梁內(nèi)力發(fā)生了不利的變化[2]。

1.1.2主拱圈開裂

主拱圈開裂，主要有橫向開裂與縱向開裂。一部分裂縫沿砌縫擴展，一部分裂縫出現(xiàn)在砌體，也有的裂縫同時貫穿了砌縫和砌體。對于石拱橋的材質(zhì)，優(yōu)點是抗壓強度高，缺點是由于砌縫存在導致抗拉和抗剪強度很低。

1.1.2.1橫向裂縫

橫向裂縫主要發(fā)生在拱頂區(qū)段拱腹或拱腳區(qū)段拱背。主拱圈的小偏心受壓結(jié)構(gòu)，拱頂和拱腳為受力控制截面，拱頂正彎矩最大，拱腳負彎矩最大，若截面抗力小于荷載內(nèi)力，將造成拱頂區(qū)段拱腹或拱腳區(qū)段拱背開裂。橫向裂縫產(chǎn)生的主要有兩個原因：(1)墩臺基礎(chǔ)未放置在基巖上，導致基礎(chǔ)沉降或縱向位移。石拱橋多數(shù)為無鉸拱，即為超靜定結(jié)構(gòu)，墩臺的位移引起主拱圈產(chǎn)生較大的位移附加力，導致主拱圈開裂，甚至形成橫向貫通裂縫；(2)施工時拱架剛度不足、拱架基礎(chǔ)承載力不足導致主拱圈發(fā)生了沉降變形，主拱圈承受過大的彎矩。

1.1.2.2縱向裂縫

縱向裂縫通常起于拱腳沿整個拱圈縱向延伸長度較長，主要發(fā)生在拱上橫墻對應的主拱圈拱腹位置及主拱圈橫向中心。前一種縱向裂縫嚴重影響主拱圈的穩(wěn)定性和承載能力?？v向裂縫產(chǎn)生的主要有三個原因：(1)彎道石拱橋，長期承受汽車離心力和偏心受力的作用； (2)在重車長期偏心碾壓下，拱圈承受偏心壓力，拱圈橫向受力不對稱導致拱圈抗剪開裂；(3)墩臺基礎(chǔ)未放置在基巖上，導致基礎(chǔ)不均勻沉降或縱向位移。

橫向裂縫和縱向裂縫產(chǎn)生也有以下原因：(1)建橋年代久遠，原設(shè)計荷載等級低；(2)主拱圈厚度薄，以及砌縫質(zhì)量差導致主拱圈砌體連接整體性差；(3)拱上填料不滿足要求，如壓實度不夠、透水性差、填料含泥量大，從而橋面滲水使得拱上填料松軟，導致橋面車輛荷載通行時主拱圈會局部受力；(4)寒冷地區(qū)，主拱圈砌縫滲水后凍脹開裂。

1.1.3主拱圈滲水

主拱圈滲水將引起砌體軟化、強度和耐久性降低。主拱圈滲水的主要原因有：防水層破壞或失效；拱上填料不密實、砌縫不飽滿、橋面排水系統(tǒng)性能差導致橋面積水滲透至拱圈。

1.1.4主拱圈砌體脫落

拱頂拱腹局部區(qū)段的砌體被壓裂后脫落，引發(fā)應力集中，加速各種病害的產(chǎn)生與發(fā)展。拱石脫落的主要原因是拱圈砌縫不飽滿或脫落，拱頂填料厚度不足而超重車對拱圈的沖擊所致。

1.1.5主拱圈砌體風化剝落

大部分石拱橋修建年代早，砌體石料長期自然風化、水氣侵蝕導致拱石表層強度和性能降低，使得石料表面軟化而脫落。

1.2　腹拱圈

大量調(diào)研資料表明，腹拱圈縱向開裂和橫向開裂是最嚴重和普遍的，是石拱橋最主要的病害。腹拱圈作為拱上建筑的主要構(gòu)件，是偏心受壓結(jié)構(gòu)。腹拱圈裂縫的產(chǎn)生主要與自身受力特征、拱上填料及橋面通行荷載密切相關(guān)。腹拱圈裂縫產(chǎn)生的主要原因有：(1)腹拱圈拱腳置于主拱圈拱背、拱上橫墻頂部或橋臺前墻頂部，車輛荷載作用下主拱圈會發(fā)生的豎向變形，這直接或間接使得腹拱圈拱腳位移，進而會使得腹拱圈承受較大縱向推力和豎向彎矩，若設(shè)計和施工時未在拱上建筑設(shè)置合理變形縫，腹拱圈的開裂在所難免；(2)腹拱圈作為拱上建筑主要構(gòu)件，大部分腹拱圈是超靜定結(jié)構(gòu)，主拱圈與拱上建筑的聯(lián)合作用使得腹拱圈承受較大附加次內(nèi)力，使得腹拱圈開裂；腹拱圈開裂往往是上述兩個原因所致，因而腹拱圈開裂是石拱橋最嚴重且普遍的病害；(3)拱上填料不滿足要求，如壓實度不夠、透水性差、填料含泥量大，從而橋面滲水使得腹拱圈的拱上填料松軟，而腹拱圈厚度通常較小，所以橋面通行荷載使得腹拱圈的局部拉應力和剪應力大，這會導致腹拱圈開裂；(4)當然，原設(shè)計荷載等級低、砌縫施工質(zhì)量、石料材質(zhì)差、橋面滲水等也是腹拱圈開裂的原因。

1.3　拱上建筑

拱上建筑是上部傳力構(gòu)件，起到分布荷載，防止車輛行駛過程中對主拱圈的過大沖擊，保護主拱圈免受雨水侵蝕等作用，對橋梁的承載能力和耐久性具有重要作用。拱上建筑的常見病害主要發(fā)生在側(cè)墻和橋面系。

1.3.1側(cè)墻開裂、外傾

大量調(diào)研資料表明，側(cè)墻開裂、側(cè)傾是也是石拱橋最主要和普遍的病害。側(cè)墻開裂包括側(cè)墻與拱圈連接界面的脫開和側(cè)墻自身開裂。其主要原因有：(1)拱上填料不滿足要求，如壓實度不夠、透水性差、填料含泥量大，從而橋面滲水使得拱上填料松軟，重載車輛長期碾壓下，填料會對側(cè)墻產(chǎn)生很大側(cè)脹力，使得側(cè)墻外傾變形、開裂；(2)彎道石拱橋或坡道石拱橋，長期承受汽車離心力和沖擊力的作用，側(cè)墻承受較大的側(cè)推力，使得側(cè)墻外傾變形、開裂。

1.3.2橋面系

橋面系將橋面活載分布并且傳遞到主拱結(jié)構(gòu)上。橋面破損影響行車安全，放大了主拱圈、腹拱圈、拱上建筑承受的行車動力效應，使得行車顛簸和跳車。且車輛經(jīng)過跳車處時，會引起腹拱嚴重振動并承受很大的局部沖擊力，導致腹拱圈開裂破損。引起石拱橋橋面破損的獨有原因是：拱上填料在車輛荷載作用下的不均勻壓縮變形，以及橋面滲水導致填料軟化，引起橋面鋪裝破壞。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分石拱橋修建年代早，后期道路改造往往直接在橋面上多次加鋪路面層，這會引起主體結(jié)構(gòu)承載的二期恒載多次增大，這應該引起足夠重視。

1.3.3拱上橫墻

拱上橫墻病害及產(chǎn)生原因主要有：(1)豎向開裂，其產(chǎn)生的主要原因是橋面重載車輛偏載作用下，導致橫墻偏心受力，其自身天生的抗剪強度低所致；(2)縱向傾斜、基腳縱向剪切移位或頂部與腹拱圈拱腳間剪切移位。該病害往往出現(xiàn)在主拱圈跨度大和拱上橫墻高度大的石拱橋，研究分析其主要原因是：設(shè)計車輛荷載從橋面通過時，大跨度拱橋的主拱圈豎向位移大，且主拱圈L/4和3L/4豎向位移是反向的。再者拱上橫墻頂部受到其上部的拱上建筑約束作用，上述因素綜合使得拱上橫墻的頂部與基腳處縱向位移不協(xié)調(diào)，從而使得拱上橫墻縱向傾斜、基腳縱向剪切移位或頂部與腹拱圈拱腳間剪切移位，該病害在橋面板厚度大、剛度大的情況尤為明顯。

某大跨度石拱橋拱頂處第一道拱上橫墻基座出現(xiàn)了剪切裂縫，其發(fā)展方向均為從主拱圈跨中往拱腳方向的斜向裂縫，由此判斷該處受到了從主拱圈跨中往拱腳方向的剪切力，使得該處發(fā)生剪切破壞。分析其原因是當汽車在橋面通行時拱上橫墻受到水平推力，拱上橫墻基座水平力影響線見圖1，該水平推力與橫墻受到的豎向軸力的合力為跨中往拱腳方向的剪力(圖2)，當這個剪切力超過了拱座的極限承載能力，便產(chǎn)生拱座的剪切破壞及基座與主拱圈接縫開裂。

圖1　拱頂處第一道橫墻基座處水平力影響線

圖2　橫墻基座受力

1.4　下部結(jié)構(gòu)

石拱橋?qū)A(chǔ)的抗推能力要求高，基礎(chǔ)是石拱橋的根本。

1.4.1基礎(chǔ)不均勻沉降或水平位移。

石拱橋的基礎(chǔ)普遍為重力式基礎(chǔ)，若基礎(chǔ)未放置在基巖上，基地承載力往往不足，這在早起修建石拱橋時，由于基巖埋深大，而采用換填或椿樁基礎(chǔ)的情況尤為突出。

1.4.2基礎(chǔ)沖刷嚴重或掏空。

主要原因是由于基礎(chǔ)覆蓋層長期遭沖刷侵蝕，或者河道不合理采挖，造成水流沖擊增大，致使基礎(chǔ)沖刷嚴重或出現(xiàn)基礎(chǔ)裸露。若基礎(chǔ)未放置在基巖上，或者由于基巖埋深大，而采用換填或椿樁基礎(chǔ)，當基礎(chǔ)覆蓋層被沖蝕后，基礎(chǔ)穩(wěn)定性將受到嚴重影響，進而危及到橋梁安全甚至垮塌，如江油盤江大橋垮塌事件。

1.4.3橋臺側(cè)墻或前墻開裂

主要原因有：(1)通行車輛荷載過大，使橋臺側(cè)墻或前墻承受的土側(cè)壓力增大；(2)橋臺填料不滿足要求，如壓實度不夠、透水性差、填料含泥量大，從而橋面滲水使得拱上填料松軟，重載車輛長期碾壓下，填料會對側(cè)墻產(chǎn)生很大側(cè)脹力；(3)橋臺或者基礎(chǔ)發(fā)生了不均勻沉降。橋臺側(cè)墻或前墻開裂在橋臺高度大的情況尤為顯著。

石拱橋的病害會影響橋梁的耐久性，甚至影響到橋梁的正常使用性能和橋梁運營安全性。大量的實橋檢測資料表明，結(jié)構(gòu)性病害的發(fā)展往往會伴隨非結(jié)構(gòu)性病害的產(chǎn)生；同時，非結(jié)構(gòu)性病害不及時處治，又會進一步加劇惡化，誘發(fā)結(jié)構(gòu)性病害，兩者相互加劇影響。因此在對石拱橋的病害進行調(diào)研的時候，需要根據(jù)石拱橋的病害具體情況及產(chǎn)生原因，及時采用經(jīng)濟可靠的加固方案對其進行加固。

2　石拱橋結(jié)構(gòu)性病害的處治措施

針對不同的結(jié)構(gòu)性病害，分析其成因，采取有針對的加固整治措施?，F(xiàn)行的拱橋加固方法多種多樣，近幾年不斷涌現(xiàn)出一些新的加固措施，但所有這些加固方法主要還是增大拱圈截面，增強拱肋之間的聯(lián)系，加強橫向聯(lián)系，減輕拱上建筑的重量等幾種基本方法及其衍生[3]。

2.1　上部結(jié)構(gòu)加固

石拱橋上部結(jié)構(gòu)加固方法主要有以下幾類：(1)鋼筋混凝土套箍拱圈加固法；(2)加設(shè)拱圈加固法；(3)梁拱式拱上建筑加固法，即調(diào)整拱上恒載法；(4)粘貼鋼板加固法；(5)體外預應力加固；(6)釋能加固法；(7)針對拱圈和側(cè)墻裂縫及結(jié)構(gòu)其他部位裂縫通常采用壓漿加固。

2.2　下部結(jié)構(gòu)加固

對于石拱橋下部結(jié)構(gòu)加固，墩臺基礎(chǔ)常用加固法方法主要有：(1)高壓旋噴樁加固技術(shù)；(2)擴大基礎(chǔ)加固法；(3)增補樁基法(打入樁或鉆孔灌注樁)；(4)人工地基加固(改良地基)法等。墩臺常用加固法主要有：(1)用鋼筋混凝土套箍加固貫通裂縫；(2)用鋼筋混凝土框架拉桿加固橋臺側(cè)墻外傾；(3)用支撐法或增建擋土墻法處理墩臺滑移。

2.3　主拱圈加固實例

以筆者所在地區(qū)某空腹式石拱橋為例，該橋主跨跨徑為90 m，主拱圈厚度1.6 m，腹拱圈厚度0.4 m，寬度9 m，矢跨比為1/8，即0.125，小于0.25，明顯屬于坦拱橋，下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺，采用擴大基礎(chǔ)(圖3)。

圖3　某主跨90 m大跨度坦拱橋

檢測發(fā)現(xiàn)該橋主拱圈有兩條縱向裂縫(一條位于主拱邊緣，寬約0.5～1.5 mm，長約15 m；一條位于主拱圈中間，寬約0.5～1 mm，長約30 m)，多個腹拱圈存在縱向貫通裂縫和橫向貫通裂縫，同時重載車輛通行時，橋梁振動響應顯著。且通過結(jié)構(gòu)檢算，該橋主拱圈強度驗算和剛度驗算不滿足現(xiàn)通行荷載等級要求。通過綜合研究，采用鋼筋混凝土套拱加固方法[4]進行了主拱圈加固，并采取有效措施防止跨中段新加混凝土加固層與舊主拱圈的常見脫縫缺陷。加固后，對該橋進行了靜、動荷載試驗，結(jié)果表面加固后有效降低了控制斷面的拉應力，提高了正常使用性能，且加固后顯著提高了整體結(jié)構(gòu)的剛度。

文獻[6]針對某空腹式石拱橋，主拱圈拱頂拱腹側(cè)有一條斜向裂縫，基本貫穿主拱(寬約10 mm)，且上游側(cè)拱腳側(cè)面開裂(寬約10 mm)，主拱圈風化嚴重等病害，介紹了采用增大截面法、粘貼鋼板和及“釋能加固法”相結(jié)合的加固方法在石拱橋加固改造中的應用。研究表明，“釋能加固法”針對石拱橋主拱圈加固中是適用的。

2.4　腹拱圈加固實例

上述圖3所示的空腹式石拱橋，腹拱圈橫向開裂(裂縫長2～3 m，寬約2 mm)，縱向開裂(裂縫長4～5 m，寬約3 mm)等病害，采用增設(shè)混凝土拱板復合拱圈等加固技術(shù)對該橋進行了加固處理，并在合適位置增設(shè)變形縫釋放腹拱圈彎矩。通過加固后，該橋各控制截面承載能力提高20 %以上。

3　結(jié)束語

石拱橋病害分析和維修整治是橋梁養(yǎng)護與維修的一個重要內(nèi)容，也是公路管理部門面臨的一項重要課題。時至今日，石拱橋在交通服務(wù)上仍然扮演著重要的角色。然而通過大量的實橋檢測發(fā)現(xiàn)，石拱橋因已服役時間長，設(shè)計荷載等級低及超載等原因，使得橋梁出現(xiàn)了大量關(guān)鍵性病害。鑒于石拱橋主要結(jié)構(gòu)性病害的力學原理比較清楚，在選擇整治措施的時候，應充分分析病害產(chǎn)生的原因，選擇合適的加固方案進行整治，達到最好的加固效果。

本文對大跨度石拱橋常見的關(guān)鍵性病害進行了總結(jié)分析，并分析了其主要成因，對幾種主要的關(guān)鍵性病害的加固措施進行了實例說明，這可供類似石拱橋的養(yǎng)護、檢測及加固提供參考。